趙 燈，王升德，呂 達(dá)，張?jiān)隼?

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430000)

引言

密閉壓力容器在高壓環(huán)境開啟過程中，外界處于高壓狀態(tài)的水與壓力容器內(nèi)壓縮空氣之間相互作用能夠?qū)θ萜鲀?nèi)壁面形成一定的暫態(tài)高壓沖擊，在一定程度上影響到設(shè)備的安全性和可靠性，為深入研究?jī)?nèi)壁面在高壓氣液兩相流作用下的沖擊特性提供了要求。隨著仿真技術(shù)的進(jìn)一步增強(qiáng)，復(fù)雜工況下多學(xué)科交互涉及的耦合問題[1-2]逐漸得到廣泛研究人員的重視，而流固耦合動(dòng)力學(xué)為解決該類問題有著良好的普適性[3-4]。流固耦合動(dòng)力學(xué)是固體力學(xué)與流體力學(xué)交叉產(chǎn)生的新學(xué)科，統(tǒng)籌考慮了固體域與流體域，著重研究?jī)上嘞嗷プ饔?，其著重研究固體在流場(chǎng)作用下產(chǎn)生形變，同時(shí)又由于形變導(dǎo)致流場(chǎng)變化，是一種統(tǒng)籌兼顧的研究方法[5]。劉江川[6]利用該技術(shù)建立水流場(chǎng)-閘門-漂浮物模型，研究了深海漂浮物對(duì)平面鋼閘門的沖擊影響。常富[7]采用流固耦合法，對(duì)閘門進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)分析，對(duì)閘門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止閘門在運(yùn)行中產(chǎn)生共振，有效增強(qiáng)了閘門的可靠性。

本文利用流固耦合技術(shù)，針對(duì)高壓環(huán)境中密閉壓力容器開啟過程涉及的瞬態(tài)沖擊問題，充分考慮到空氣的可壓縮性，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，建立了壓力容器雙向流固耦合模型，研究了壓力容器蓋板開啟過程中外界高壓水對(duì)內(nèi)壁面的瞬態(tài)沖擊特性，系統(tǒng)為設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置提供了一定的參考。

1 密閉壓力容器流固耦合模型

1.1 流固耦合相關(guān)理論

流固耦合問題分析根據(jù)流體域和固體域之間物理場(chǎng)耦合程度的不同，可分為強(qiáng)耦合和弱耦合，對(duì)應(yīng)的求解方法分別為直接解法和分離解法。直接解法通過將流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的控制方程耦合到同一方程矩陣中求解，即在同一求解器中同時(shí)求解流固控制方程，但在實(shí)際應(yīng)用中，直接法很難將現(xiàn)有的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算固體力學(xué)技術(shù)真正結(jié)合到一起。弱流固耦合的分離解法是分別求解流體和固體的控制方程，通過流固耦合交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。該方法對(duì)計(jì)算機(jī)性能的需求大幅降低，可用來求解實(shí)際的大規(guī)模問題。本文利用ansysworkbench 采用分離解法對(duì)密閉容腔開啟過程涉及的流固耦合問題進(jìn)行求解。

流體控制方程主要由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能力方程控制，分別為

固體控制方程可以簡(jiǎn)化為

流固耦合遵循最基本的守恒原則，所以在流固耦合交界面處，應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)力、位移、熱流量、溫度等變量的相等或守恒，即滿足如下4 個(gè)方程：

1.2 雙向流固耦合仿真模型

本文首先通過對(duì)密閉壓力容器開啟過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，可分為外場(chǎng)水域、近場(chǎng)水域以及容器內(nèi)空間三部分，其中蓋板將繞著邊緣以固定角速度緩慢開啟，見圖1。

圖1 流固耦合模型

利用Fluent 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用udf 宏命令DEFINE_CG_MOTION 對(duì)蓋板運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，使得在壓力容器蓋板開啟過程中流域網(wǎng)格具有壓縮與重構(gòu)的功能，保證整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程不會(huì)出現(xiàn)負(fù)體積單元。

由于內(nèi)壁面整體屬于薄壁件，尺寸較大而厚度較薄，為了獲取更加準(zhǔn)確的求解結(jié)果，加快計(jì)算收斂性，本文對(duì)內(nèi)壁面進(jìn)行抽中面處理，使用二維曲面進(jìn)行替代，其中曲面厚度為內(nèi)壁面厚度，其網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 內(nèi)壁面中面網(wǎng)格

最后，本文利用ANSYS workbench 的耦合模塊systemcoupling，本文對(duì)壓力容器開啟過程進(jìn)行雙向流固耦合求解計(jì)算，分析了高壓環(huán)境中壓力容器開啟過程對(duì)內(nèi)壁面的沖擊影響。

2 內(nèi)壁面沖擊特性

如圖3 所示，展示了在開啟前4s 內(nèi)壓力容器內(nèi)空氣與容器外水之間的演變過程。

圖3 容器內(nèi)空氣相含率

在開啟初始瞬間，在壓差驅(qū)動(dòng)下容器外高壓水進(jìn)入容器內(nèi)，而容器內(nèi)空氣由于其具有可壓縮性，在一定程度上被壓縮，不會(huì)立刻逸散出容器外。

如圖3(a)所示，在開啟1s 時(shí)刻，高壓水主要在轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)側(cè)位置進(jìn)入容器，且能夠?qū)?nèi)壁面產(chǎn)生一定的沖擊，但由于空氣的緩沖作用，其瞬態(tài)沖擊力有適當(dāng)?shù)臏p弱。容器內(nèi)空氣仍處于被壓縮狀態(tài)，在水流的作用下主要集中在轉(zhuǎn)動(dòng)軸附近和對(duì)側(cè)空間內(nèi)。

如圖3(b)所示，在開啟2s 時(shí)刻，開啟角度進(jìn)一步增加。由于容器蓋板的限制，引起了轉(zhuǎn)動(dòng)軸附近大量壓縮空氣將會(huì)沿著壁面逸出，而另一側(cè)壓縮空氣仍處于被壓縮狀態(tài)。此時(shí)大量高壓水進(jìn)入容器內(nèi)，對(duì)內(nèi)壁面產(chǎn)生了持續(xù)的沖擊，且會(huì)沿著內(nèi)壁面留下，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸另一側(cè)空氣與內(nèi)壁面脫離。

如圖3(c)所示，在開啟3s 時(shí)刻，開啟角度再次增大。此時(shí)容器開啟程度足夠大，轉(zhuǎn)動(dòng)軸另一側(cè)壓縮空氣向上逸出，逐漸與上部附近空氣匯聚。同時(shí)由于大量水進(jìn)入容器，空氣逐漸逸出，容器內(nèi)空間將主要以水為主，對(duì)內(nèi)壁面再次形成了緩沖層，能夠減弱外界水對(duì)內(nèi)壁面的沖擊。

如圖3(d)所示，在開啟4s 時(shí)刻，容器內(nèi)空氣幾乎完成了匯聚，沿著蓋板向上逸出，容器幾乎被水完全填充。

圖4 和圖5 分別展示了在開啟4s 內(nèi)內(nèi)壁面在水的暫態(tài)沖擊作用下產(chǎn)生的最大形變和最大應(yīng)力。

圖4 內(nèi)壁面最大形變

圖5 內(nèi)壁面最大應(yīng)力

在開啟前，容器內(nèi)空氣處于被壓縮狀態(tài)，容器外高壓水還沒有進(jìn)入，能夠在內(nèi)壁面上產(chǎn)生一定的初始形變0.135 2 mm，形成初始最大應(yīng)力27.25 MPa。

在開啟后較短時(shí)間內(nèi)，內(nèi)壁面最大形變和最大應(yīng)力都將處于快速降低階段，其中最大形變最低降至0.129 5 mm，最大應(yīng)力最低降至26.1 MPa。在開啟初期，容器內(nèi)空間與外界聯(lián)通，有少量空氣逸散出去，而水還未接觸內(nèi)壁面，容器內(nèi)空氣壓強(qiáng)會(huì)有適當(dāng)降低，導(dǎo)致了內(nèi)壁面上形變和應(yīng)力減小。

0.1 s 之后，容器外部高壓水穿過空氣與內(nèi)壁面接觸，能夠?qū)?nèi)壁面產(chǎn)生一定的暫態(tài)沖擊，導(dǎo)致了最大形變和最大應(yīng)力都將處于增加階段。但由于空氣的緩沖作用，導(dǎo)致了最大沖擊形變僅略高于初始最大形變，在0.4 s 時(shí)刻達(dá)到了峰值，其大小為0.135 8 mm。而內(nèi)壁面最大應(yīng)力在該階段中雖處于增加過程，但由于僅有少量高壓水進(jìn)入容器并作用在內(nèi)壁面上，導(dǎo)致了內(nèi)壁面并未達(dá)到整個(gè)過程的最大應(yīng)力。而且在該過程中應(yīng)力增加速率更加緩和。

在0.4～0.7 s 階段，最大形變呈現(xiàn)減小后增大，而最大應(yīng)力變化較為平穩(wěn)。在該階段中，水流與內(nèi)壁面接觸部位穩(wěn)定，形成了持續(xù)穩(wěn)定的暫態(tài)沖擊，導(dǎo)致了最大應(yīng)力出現(xiàn)位置變化不明顯，內(nèi)壁面最大應(yīng)力變化也較為平穩(wěn)?？紤]到內(nèi)壁面形狀，最大形變必然會(huì)出現(xiàn)在內(nèi)壁面的最高位置，在水流沖擊作用下內(nèi)壁面會(huì)產(chǎn)生微弱的顫動(dòng)，導(dǎo)致了最大形變有一定變化波動(dòng)。

在0.7 s 后，空氣逐漸逸出容器，氣壓會(huì)緩慢降低，導(dǎo)致了內(nèi)壁面最大形變降低。開度的增加，引起了更多的水流進(jìn)入容器，能夠?qū)?nèi)壁面產(chǎn)生更大的沖擊，導(dǎo)致了內(nèi)壁面最大應(yīng)力進(jìn)一步增加。

在2.5 s 后，容器空氣大量逸出，逐漸被高壓水填充，內(nèi)壁面的壓強(qiáng)主要由容器內(nèi)水壓決定。此時(shí)水流對(duì)內(nèi)壁面的沖擊逐漸減弱，最大應(yīng)力和最大形變都趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文針對(duì)高壓環(huán)境中密閉壓力容器開啟過程中涉及的多相流、暫態(tài)沖擊等問題，采用雙向流固耦合方法對(duì)該過程進(jìn)行了仿真求解，得到了如下主要結(jié)論：

(1) 在開啟過程中，密閉壓力容器內(nèi)壓縮空氣的緩沖作用能夠有效減弱外界高壓水對(duì)內(nèi)壁面的沖擊作用，對(duì)內(nèi)壁面產(chǎn)生了明顯的保護(hù)作用，其中最大應(yīng)力僅為27.62 MPa，最大形變量為0.135 6 mm。

(2) 充分考慮密閉容器蓋板運(yùn)動(dòng)、高壓水-空氣之間相互影響，利用流固耦合技術(shù)能夠更準(zhǔn)確地對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的沖擊特性進(jìn)行研究，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)升級(jí)具有一定的指導(dǎo)作用。