文/左永剛 張銳征 張鎮(zhèn) 肖杰 楊靜 杜力

本文介紹自力式混油切割裝置及其核心部件密度控制導(dǎo)閥，對(duì)密度控制導(dǎo)閥局部流場(chǎng)的數(shù)值模擬與動(dòng)力學(xué)分析可以為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)置提供依據(jù)。通過(guò)FLUENT軟件模擬浮子腔體內(nèi)部流場(chǎng)，利用出口油品密度變化速度表征浮子腔體內(nèi)部油品置換速度，并驗(yàn)證其可行性，入口處流速越快，內(nèi)部油品置換速度就越快。通過(guò)ADAMS軟件對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)觀察導(dǎo)閥芯位移速度及穩(wěn)定性判斷彈簧參數(shù)設(shè)置的優(yōu)劣，結(jié)果表明使用剛度系數(shù)k=0.17N/mm，阻尼系數(shù)為c=5Ns/m的彈簧時(shí)，密度控制導(dǎo)閥在密度檢測(cè)過(guò)程中更加迅速穩(wěn)定。

1.引言

國(guó)內(nèi)外成品油固定管線系統(tǒng)在進(jìn)行順序輸送的過(guò)程中均采用自動(dòng)檢測(cè)-自動(dòng)控制-動(dòng)力執(zhí)行的自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)混油的切割[1]，但在搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事行動(dòng)等環(huán)境惡劣、情況多變、供能困難的條件下，采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)的自力式混油自動(dòng)切割裝置可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)混油的切割。英國(guó)Avery Hardoll公司生產(chǎn)的油料密度敏感型通斷控制閥主要用于防止油料進(jìn)錯(cuò)油罐造成混油事故，本文基于該控制閥的基本原理，針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行借鑒與改進(jìn)，設(shè)計(jì)了自力式混油切割裝置，主要由密度控制導(dǎo)閥與受控主閥組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 自力式混油自動(dòng)切割裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

在自力式混油切割裝置工作過(guò)程中，密度控制導(dǎo)閥通過(guò)滑閥結(jié)構(gòu)所處位置決定控制管路通斷，受控主閥通過(guò)閥芯移動(dòng)控制主管路通斷。當(dāng)導(dǎo)閥閥芯處于范圍Ⅰ時(shí)，控制管路P1A1接通，P2A2關(guān)閉時(shí)，A管輕油閥芯由于前后受力均衡，會(huì)開(kāi)啟A通路；B管重油閥芯前壓力大于閥芯后的壓力，該閥芯會(huì)向前移動(dòng)，堵塞B通路。自力式混油自動(dòng)切割裝置對(duì)混油的檢測(cè)是影響混油切割的關(guān)鍵因素，該過(guò)程主要依靠密度控制導(dǎo)閥完成，密度控制導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前對(duì)導(dǎo)閥內(nèi)部流場(chǎng)及運(yùn)動(dòng)情況尚不清楚，部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置沒(méi)有具體依據(jù)，因此本文采用FLUENT軟件對(duì)密度控制導(dǎo)閥的局部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供具體依據(jù)。

圖2 密度控制導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.浮子腔體內(nèi)部流場(chǎng)的研究

浮子腔體作為檢測(cè)油品密度的核心部件，其內(nèi)部流場(chǎng)情況直接影響到檢測(cè)精度與檢測(cè)速度，從而影響最終混油切割效果，本文主要通過(guò)FLUENT軟件研究其油品置換速度與油品密度等特征的變化情況，以此標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)其檢測(cè)速度[2]。

2.1.模型建立與邊界條件設(shè)置。本文主要研究浮子腔體內(nèi)部流場(chǎng)，因此在進(jìn)行建模的過(guò)程中對(duì)其他因素如排氣閥等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，用于流場(chǎng)數(shù)值模擬的三維模型如圖3所示。

圖3 浮子腔體三維模型圖

對(duì)浮子腔體三維模型的計(jì)算區(qū)域使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]，劃分結(jié)果如圖4所示，通過(guò)MESH軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分共得到198464個(gè)網(wǎng)格，908098個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格最大表面積為66.24509mm2，最大體積為3.537230×102mm3；最小表面積為1.074361×10-2mm2，最小體積為3.036842×10--3mm3。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

浮子腔體內(nèi)的流場(chǎng)模擬采用汽油和汽柴混油（體積分?jǐn)?shù)95%汽油與體積分?jǐn)?shù)5%的柴油相混，以下簡(jiǎn)稱95%汽柴混油）作為輸送油品，如圖5所示，設(shè)置一個(gè)速度入口邊界和一個(gè)出流邊界，入口處流速設(shè)為0.4m/s、3m/s，多相流混合物模型采用MIXTURE模型，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)固壁無(wú)滑移邊界條件[4]，取重力加速度為9.81 m/s-2，方向設(shè)置為-x方向，求解方法設(shè)置為SIMPLEC算法[5-9]。通過(guò)初始化設(shè)置浮子腔體在初始狀態(tài)時(shí)內(nèi)部充滿汽油，開(kāi)始計(jì)算后95%汽柴混油從入口處以0.4m/s的速度流入，通過(guò)控制時(shí)間來(lái)模擬輸送過(guò)程，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s，時(shí)步數(shù)量為4000。

圖5 模型邊界條件

2.2.結(jié)果與分析

評(píng)價(jià)浮子腔體的工作效能因素主要有浮子腔體內(nèi)油品置換速度與油品密度等特征。本文通過(guò)FLUENT軟件監(jiān)視浮子腔體出口處的油品密度來(lái)表征油品置換速度，初始狀態(tài)時(shí)浮子腔體內(nèi)汽油密度為720kg/m3，入口處95%汽柴混油的密度為725.5kg/m3。當(dāng)入口處流速為0.4m/s時(shí)，浮子腔體出口處的油品密度隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。在混油段進(jìn)入浮子腔體的前100s內(nèi)，出口處油品密度明顯上升，隨后上升趨勢(shì)減緩，在225s時(shí)趨于穩(wěn)定，最終在275s時(shí)穩(wěn)定在725.5kg/m3。

圖6 浮子腔體出口處油品密度變化情況（入口流速0.4m/s時(shí)）

取浮子腔體內(nèi)部的三個(gè)不同截面，繪制出其密度云圖如圖7所示，通過(guò)該密度云圖可以看出，在計(jì)算結(jié)束時(shí)，浮子腔體內(nèi)部油品已均勻分布。利用CFD-POST后處理軟件對(duì)浮子腔體內(nèi)部三個(gè)不同截面的密度進(jìn)行面積分處理，經(jīng)計(jì)算得到其平均密度為725.477kg/m3，略低于進(jìn)口處油品密度725.5kg/m3，這主要是因?yàn)楦∽忧惑w內(nèi)部仍然存在角落部位，油品流速極低，油品的置換主要依靠混油界面處的分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，置換速度遠(yuǎn)低于其他區(qū)域。

圖7 浮子腔體內(nèi)部三個(gè)截面的密度云圖（入口流速0.4m/s時(shí)）

圖8 浮子腔體出口處油品密度變化情況（入口流速3m/s時(shí)）

圖9 浮子腔體內(nèi)部三個(gè)截面的密度云圖（入口流速3m/s時(shí)）

當(dāng)入口處流速為3m/s時(shí)，浮子腔體出口處的油品密度隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。通過(guò)對(duì)比圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)入口處流速變大時(shí)，出口處油品密度上升速度明顯加快，在55s時(shí)已穩(wěn)定在725.5kg/m3。此時(shí)其密度云圖如圖10所示，可以看出此時(shí)浮子腔體內(nèi)部油品已均勻分布。

在兩種不同入口流速情況下，當(dāng)出口處流出油品密度穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)浮子腔體內(nèi)部三個(gè)不同界面可以觀察到此時(shí)油品密度已均勻分布，說(shuō)明通過(guò)出口處流出油品密度判斷浮子腔體的油品置換速度是可行的，且入口處流速越快，油品置換速度越快。

3.動(dòng)力學(xué)模擬及彈簧優(yōu)化設(shè)置

彈簧在密度控制導(dǎo)閥檢測(cè)油品密度的過(guò)程中起著重要作用，并且直接影響導(dǎo)閥檢測(cè)油品密度的準(zhǔn)確性和效率，因此其參數(shù)設(shè)置顯得尤為重要。本文運(yùn)用ADAMS軟件模擬浮子腔體內(nèi)部油品由純汽油變化為95%汽柴混油（體積分?jǐn)?shù)95%汽油與體積分?jǐn)?shù)5%的柴油相混）的過(guò)程，通過(guò)導(dǎo)閥芯的位置變化情況對(duì)比彈簧工作效率。

3.1.建立簡(jiǎn)化模型并施加約束

前期設(shè)計(jì)的密度控制導(dǎo)閥由56個(gè)零件組成，如果將整個(gè)裝置直接導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置零件的約束運(yùn)動(dòng)將變得十分麻煩，且增加了模擬計(jì)算的難度。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，又能達(dá)到預(yù)期研究的結(jié)果，就需要在能夠清楚正確地表示零件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況下，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[10]。

由于浮子腔體及其他螺柱、刻度套和墊片等零件不影響核心零件的力學(xué)模擬，因此可以簡(jiǎn)化。當(dāng)浮球與導(dǎo)閥閥芯采用直連方式而不通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)連接時(shí)，浮球所受浮力將直接傳導(dǎo)在鋼球上，再通過(guò)鋼球傳導(dǎo)至導(dǎo)閥閥芯，其力的大小和方向均相同，因此浮球也可以簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖10所示。

圖10 密度控制導(dǎo)閥的簡(jiǎn)化計(jì)算模型

根據(jù)密度控制導(dǎo)閥在實(shí)際工作過(guò)程中各部件間的關(guān)系，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型施加約束，密度控制導(dǎo)閥動(dòng)力學(xué)模型各部件間拓?fù)潢P(guān)系如圖11所示。導(dǎo)閥體始終保持位置不變，不參與運(yùn)動(dòng)，當(dāng)密度控制導(dǎo)閥的手柄設(shè)定好密度后，頂桿也被固定在指定位置，在導(dǎo)閥體與頂桿間施加固定副，并將其固定于Ground上。左側(cè)鋼球受到浮球傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的浮力，并繼續(xù)傳導(dǎo)至導(dǎo)閥芯，同時(shí)，導(dǎo)閥芯還受到右側(cè)彈簧施加的彈力，以及相關(guān)各零部件的重力。鋼珠和導(dǎo)閥芯在受到浮力、重力和彈力作用下從不平衡狀態(tài)運(yùn)動(dòng)至平衡狀態(tài)，該過(guò)程僅有軸向運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)鋼球與導(dǎo)閥芯施加固定副，然后對(duì)其與導(dǎo)閥體施加平移驅(qū)動(dòng)副。彈簧導(dǎo)入為柔性體，粗設(shè)其剛度系數(shù)k=0.17 N/mm，阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)為c=0.17Ns/m[11]。

圖11 密度控制導(dǎo)閥動(dòng)力學(xué)模型各部件間拓?fù)潢P(guān)系

3.2.結(jié)果與分析

當(dāng)浮子腔體內(nèi)部充滿純汽油且導(dǎo)閥芯運(yùn)動(dòng)至平衡位置時(shí)，記該平衡位置為Ⅰ，此時(shí)鋼球和導(dǎo)閥芯所受浮力為：F浮720=1.2722N。

當(dāng)浮子腔體內(nèi)部油品由純汽油置換為95%汽柴混油時(shí)，活動(dòng)零部件的重力G保持不變，彈力和浮力發(fā)生改變，導(dǎo)閥芯在3個(gè)力的作用下運(yùn)動(dòng)至新的平衡位置Ⅱ，此時(shí)鋼球和導(dǎo)閥芯所受浮力為：F浮725.5=1.2820N。

當(dāng)導(dǎo)閥芯位于平衡位置Ⅰ時(shí)，導(dǎo)閥芯處于靜止?fàn)顟B(tài)，左右受力平衡。當(dāng)浮子腔體內(nèi)部油品密度變化，導(dǎo)閥芯從平衡位置Ⅰ位移至平衡位置Ⅱ時(shí)，設(shè)置鋼球和導(dǎo)閥芯所受浮力為1.2820N，對(duì)此過(guò)程中導(dǎo)閥芯的位置變化情況模擬如圖12所示。

通過(guò)圖12可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)閥芯從平衡位置Ⅰ位移至平衡位置Ⅱ，從0.01126m處位移至0.01131m處，位移距離為0.05mm，該過(guò)程持續(xù)了0.7s，但是大部分時(shí)間在平衡位置附近反復(fù)波動(dòng)。

圖12 位移至平衡狀態(tài)Ⅱ時(shí)導(dǎo)閥芯位置變化曲線（c=0.17Ns/m）

保持剛度系數(shù)不變，更改阻尼系數(shù)c=50Ns/m，對(duì)此過(guò)程中導(dǎo)閥芯的位置變化情況模擬如圖13所示。

圖13 位移至平衡狀態(tài)Ⅱ時(shí)導(dǎo)閥芯位置變化曲線（c=50Ns/m）

更改阻尼系數(shù)以后，導(dǎo)閥芯在到達(dá)新的平衡位置時(shí)沒(méi)有波動(dòng)，位移距離不變，但持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)至2s。保持剛度系數(shù)不變，繼續(xù)更改阻尼系數(shù)c=5Ns/m，對(duì)此過(guò)程中導(dǎo)閥芯的位置變化情況模擬如圖14所示。

從圖14可以看出，當(dāng)阻尼系數(shù)為c=5Ns/m時(shí)，導(dǎo)閥芯在運(yùn)動(dòng)至新的平衡位置過(guò)程中波動(dòng)極小，且整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間不到0.3s，此時(shí)密度控制導(dǎo)閥對(duì)浮子腔體內(nèi)部油品密度檢測(cè)更加靈敏，因此應(yīng)設(shè)定彈簧剛度系數(shù)k=0.17N/mm，阻尼系數(shù)為c=5Ns/m。

圖14 位移至平衡狀態(tài)Ⅱ時(shí)導(dǎo)閥芯位置變化曲線（c=50Ns/m）

4.結(jié)論

（1）在兩種不同入口流速情況下，當(dāng)出口處流出油品密度穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)浮子腔體內(nèi)部三個(gè)不同界面可以觀察到此時(shí)油品密度已均勻分布，說(shuō)明通過(guò)出口處流出油品密度判斷浮子腔體的油品置換速度是可行的。

（2）通過(guò)運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)兩種不同入口流速情況下浮子腔體內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：密度控制導(dǎo)閥入口處流速越快，浮子腔體內(nèi)部油品置換速度也越快。

基于密度控制導(dǎo)閥各零部件在實(shí)際工作中的相互關(guān)系對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，觀察導(dǎo)閥芯運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)果表明：當(dāng)彈簧剛度系數(shù)k=0.17N/mm，阻尼系數(shù)為c=5Ns/m時(shí)，導(dǎo)閥芯運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定、迅速，此時(shí)密度控制導(dǎo)閥對(duì)油品密度的檢測(cè)更加靈敏。

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