管路分離機(jī)構(gòu)閉合過程插頭的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究

符耀民，賀迪華，趙飛虎

(1.遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 貴州遵義 563006；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

0 引言

管路分離機(jī)構(gòu)主要由插頭滑塊和插座組成，其工作原理是通過控制液壓動(dòng)力系統(tǒng)中管路的連通或斷開來對(duì)連接設(shè)備提供所需的介質(zhì)和相應(yīng)的動(dòng)力[1]。此時(shí)插頭會(huì)在有壓力的條件下分離，介質(zhì)作用力也會(huì)同時(shí)阻礙插頭和插座的閉合，加上此時(shí)機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場的分布非常不均勻，這樣的現(xiàn)象則會(huì)嚴(yán)重影響到插頭滑塊的工作性能[2]，因此需對(duì)分離機(jī)構(gòu)中的插頭滑塊在其閉合過程時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬研究，分析出插頭在分離過程中內(nèi)部流場的壓力分布、速度分布和滑塊的受力狀況。

國內(nèi)外對(duì)分離機(jī)構(gòu)的研究取得一定的進(jìn)展，山東航天電子技術(shù)研究所張海濤等[3]利用ADAMS研究空間斷接器的運(yùn)動(dòng)特性。劉海娃和湯建華[4]利用IDEAS/TMG研究了航天器上浮動(dòng)斷接器的熱力學(xué)性能，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。總的來說，目前對(duì)管路分離機(jī)構(gòu)的研究較多處于靜力學(xué)方面，對(duì)其內(nèi)部的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究文獻(xiàn)較少且多是利用動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行研究，得出的動(dòng)態(tài)特性與實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性有較大的誤差。

SRIKANTH和BHASKER[5]利用CFX動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)某閥體中閥芯做了動(dòng)態(tài)分析，其結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映了閥芯閉合過程中內(nèi)部流域的低壓區(qū)以及流域漩渦的形成過程。李喆等人[6]利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)液路浮動(dòng)斷接器做相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算與研究，并根據(jù)研究結(jié)果提出了安裝精度的優(yōu)化控制方法。此外，余武江等[7]還運(yùn)用PumpLinx軟件對(duì)某單向閥的內(nèi)部流場做了數(shù)值研究。研究表明，在不同工作壓力、不同質(zhì)量流量情況下單向閥內(nèi)部流場的穩(wěn)定性。

本文作者是運(yùn)用Fluent動(dòng)網(wǎng)格以及UDF程序?qū)Ψ蛛x機(jī)構(gòu)的插頭由全開到緊閉的過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究，分析出了插頭滑塊閉合時(shí)滑塊的運(yùn)動(dòng)對(duì)管路分離機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場的影響情況以及流體介質(zhì)是如何阻礙滑塊閉合的。

1 研究模型

1.1 模型受力分析

由于管路分離機(jī)構(gòu)內(nèi)部僅有局部區(qū)域的流場分布相對(duì)較為規(guī)則，所以文中主要考慮的是插頭滑塊在突然失去支撐力后軸向的運(yùn)動(dòng)情況，并且著重對(duì)其在軸向上的受力情況做相應(yīng)的分析。當(dāng)插頭滑塊在閉合過程中軸所向上受到的外力有介質(zhì)的作用力、彈簧的彈力和黏性阻力。此時(shí)黏性阻力的影響相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。圖1為管路分離機(jī)構(gòu)插頭滑塊的受力圖。

圖1 插頭滑塊受力圖

介質(zhì)從右向左流動(dòng)，圖中：Ft表示彈簧力，F(xiàn)p表示介質(zhì)作用力，F(xiàn)f表示介質(zhì)作用的黏性阻力。

插頭滑塊所受到的合力可以表示為：

(1)

式中：F0表示滑塊所承受的彈力；k表示彈簧剛度系數(shù)；x0表示插頭滑塊的軸向坐標(biāo)。

將式(1)中的dv/dt用差分格式表示為：

(2)

(3)

式中:Δti+1=ti+1-ti；vi為滑塊在i時(shí)刻的速度；vi+1為滑塊在i+1時(shí)刻的速度；si為滑塊在i時(shí)刻的軸向位移；si+1為滑塊在i+1時(shí)刻的軸向位移。

當(dāng)ti+1很接近ti時(shí)，滑塊可以認(rèn)為在Δti+1時(shí)間段內(nèi)做了勻速運(yùn)動(dòng)，結(jié)合式(1)—式(3)有：

(4)

(5)

1.2 插頭滑塊流域模型

由于Fluent軟件無法對(duì)完全重疊物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，從而文中針對(duì)插頭滑塊結(jié)構(gòu)做簡化處理，并且在滑動(dòng)頂桿與滑套以及滑塊與套筒座之間還留有相應(yīng)的間隙，以滿足Fluent軟件中的計(jì)算需求。插頭流域模型，如圖2所示。

圖2 插頭流域模型

2 數(shù)值方法及邊界條件

在采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)插頭滑塊流域進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，除了需要初始網(wǎng)格外，還需要進(jìn)行編寫控制模型邊界運(yùn)動(dòng)的相關(guān)程序。文中采用了C語言編寫UDF程序，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口、材料屬性、幾何網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大位移的定義，從而對(duì)插頭滑塊的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，由此大大提高了數(shù)值計(jì)算的動(dòng)態(tài)真實(shí)性。

2.1 動(dòng)網(wǎng)格控制方程

一般任何移動(dòng)邊界?V的控制體V的通量φ，其守恒方程均可用式(6)來表示[8]：

(6)

使用一階向后差分來表示公式(6)中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，則有：

(7)

式中：n和n+1分別表示不同的時(shí)間層。

采用動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算方法，n+1層上的Vn+1可以表示為：

(8)

(9)

(10)

式中：δVj為Δt間隔內(nèi)控制體面j變化的空間體積。

2.2 動(dòng)網(wǎng)格更新方法選用

在Fluent軟件中有Smoothing、Layering和Remeshing 3種網(wǎng)格更新方法[10]。其中Smoothing法的特點(diǎn)是網(wǎng)格變形過程中，把網(wǎng)格邊視為一個(gè)受力的彈簧，那么當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生位置變化時(shí)網(wǎng)格的邊則產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的彈力，該彈力是符合Hooke定律的；Layering法最大的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)格更新速度更快，然而缺點(diǎn)是只適合于簡單的邊界運(yùn)動(dòng)；Remeshing法能解決計(jì)算區(qū)域、形狀復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)行程較長等相關(guān)問題。結(jié)合本研究對(duì)象的特點(diǎn)，文中使用Smoothing與Remeshing相結(jié)合的方法對(duì)管路分離機(jī)構(gòu)插頭滑塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算。

2.3 動(dòng)態(tài)模擬邊界條件設(shè)置

對(duì)插頭滑塊閉合過程進(jìn)行模擬時(shí)，在Fluent開始面板中選用Double Precision 并且勾選Environment中的“Set up Compilation Environment for UDF”，這樣才能對(duì)UDF程序進(jìn)行編譯。在Fluent軟件中勾選Unsteady，選用Realizablek-εRealizablek-ε湍流模型以及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)計(jì)算流域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[10-11]。出、入口邊界條件分別選用速度入口和壓力出口，并且插頭和插座入口速度分別設(shè)為3.781 5 m/s和3.412 8 m/s，插頭和插座的出口壓力均設(shè)為3.40 MPa。選用SIMPLE算法來計(jì)算插頭閉合過程速度和壓力的耦合。其中推進(jìn)劑介質(zhì)為一甲基肼(MMH)，其密度ρ為874.4 kg/m3，動(dòng)力黏度μ為7.75×10-4Pa·s。激活Dynamic Mesh，Time Step Size采用自適應(yīng)時(shí)間步長，插頭計(jì)算初值時(shí)間步長設(shè)為6.475 1×10-6s，最小時(shí)間步長設(shè)為5×10-6s。其余使用默認(rèn)設(shè)置。

3 插頭滑塊動(dòng)態(tài)數(shù)值研究

3.1 計(jì)算收斂性判別

把速度、連續(xù)性殘差、湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的精度均設(shè)置為10-5，此外對(duì)求解過程中進(jìn)、出口的質(zhì)量流量進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，如果進(jìn)、出口的質(zhì)量流量誤差與進(jìn)口質(zhì)量流量的比值在1%以內(nèi)，可說明數(shù)值求解達(dá)到收斂[12-13]。從圖3—圖5可以看出，進(jìn)、出口的質(zhì)量流量基本相等，可認(rèn)為計(jì)算達(dá)收斂。

圖3 計(jì)算結(jié)果殘差圖

圖4 進(jìn)口質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)圖

圖5 出口質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)圖

3.2 閉合過程壓力場的分析

圖6所示為插頭在閉合過程中4個(gè)不同時(shí)刻的壓力場分布，由圖可知：

(1)當(dāng)t=0 s時(shí)，插頭滑塊的速度為0 m/s，此時(shí)插頭滑塊將整體流域的壓力場分為兩部分，即前端為高壓區(qū)和后端為低壓區(qū)。其中要格外注意的是，插頭滑塊的流域處存在部分壓力變化范圍較大的區(qū)域，這片區(qū)域內(nèi)壓力的壓力值是逐漸減小的。

(2)在t=0.005 0 s時(shí)，插頭滑塊所受合外力開始增加，插頭滑塊的速度也會(huì)隨著增大，此時(shí)在插頭滑塊后端低壓區(qū)部分也能明顯看到該區(qū)域的壓力梯度較t=0 s時(shí)有所增大，插頭滑塊處流域所受壓力變化范圍也逐漸變小。

(3)在t=0.008 2 s時(shí)，插頭滑塊運(yùn)動(dòng)的速度比t=0 s、t=0.005 0 s時(shí)都相對(duì)較大；當(dāng)插頭滑塊處流域的壓力梯度達(dá)到最大時(shí)壓力變化的范圍達(dá)到最小。

(4)在t=0.009 5 s時(shí)，整個(gè)閉合過程已經(jīng)基本上完成，此時(shí)的插頭滑塊前、后端區(qū)域的壓力值也基本達(dá)到了較穩(wěn)定的狀態(tài)。此外，從圖6(d)明顯可以看出，在插頭滑塊與壁面之間仍然存在一定的介質(zhì)處于流動(dòng)的狀態(tài)，且還存有一定的流量，這種現(xiàn)象的主要原因是采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)需要留有一定的間隙來保證流域的連通性所致。

圖6 不同時(shí)刻插頭滑塊的壓力分布

3.3 插頭滑塊速度場分析

管路分離機(jī)構(gòu)在閉合過程中的速度場分布如圖7所示，由圖可知：

(1)在t=0 s時(shí)，插頭滑塊前端介質(zhì)的流向會(huì)呈現(xiàn)出右“V”字型的分布，當(dāng)插頭滑塊中間部位的介質(zhì)速度為零時(shí)，即處于靜止?fàn)顟B(tài)，在插頭滑塊后端處存在有一個(gè)小的漩渦渦流。

(2)在t=0.005 0 s時(shí)，插頭滑塊的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)開始慢慢地加大，插頭滑塊前端的部分介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)左“V”字型和右“V”字型的分布，且左“V”和右“V”存在撞擊的現(xiàn)象，插頭滑塊后端的漩渦會(huì)逐漸開始增大。

(3)在t=0.008 2 s時(shí)，插頭滑塊的運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)達(dá)到整個(gè)閉合過程中的最大值，其原因是滑塊即將和插頭完全閉合，此時(shí)插頭滑塊前端介質(zhì)呈現(xiàn)出來的左“V”和右“V”分布的撞擊現(xiàn)象是最為劇烈的，同時(shí)插頭滑塊后端的漩渦也會(huì)逐漸慢慢地減小。

(4)在t=0.009 5 s時(shí)，閉合結(jié)束，漩渦消失。

圖7 不同時(shí)刻插頭滑塊的速度場分布

4 閉合過程的動(dòng)態(tài)特性分析

根據(jù)以上受力情況分析可知，插頭滑塊在閉合時(shí)會(huì)受到彈簧彈力以及介質(zhì)作用力的作用。通過監(jiān)測(cè)，不同時(shí)刻下滑塊在運(yùn)動(dòng)過程中的受力、速度以及位移情況都會(huì)有所不同，結(jié)果如圖8—圖10所示，滑塊在失去支撐到完全閉合的整個(gè)過程所需時(shí)長為0.009 5 s，具體分析如下：

(1)彈簧力由大變小，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程彈簧一直受壓，最大值出現(xiàn)在起始位置，所受壓力最大值為160 N。

(2)在t=0.009 5 s時(shí)，插頭滑塊與插座閉合最為嚴(yán)實(shí)，此時(shí)所受彈簧壓力最小為31.41 N；插頭滑塊合力先由大到小在急劇反向增大，在0.008 2 s時(shí)出現(xiàn)零值，該點(diǎn)附近受力圖呈斷崖式變化，其最大值為-302.91 N。其原因是在該點(diǎn)時(shí)插頭滑塊開始截?cái)嘁毫鳎沽黧w介質(zhì)對(duì)插頭滑塊的反作用力逐漸增大，間接的使插頭滑塊受到介質(zhì)的作用力也同時(shí)迅速增加。

(3)在時(shí)間為0～0.008 2 s的范圍內(nèi)，插頭滑塊的速度在緩慢增加，在0.008 2 s時(shí)刻到達(dá)最大時(shí)，其值為3.996 9 m/s，在時(shí)間為0.008 2～0.009 5 s的范圍內(nèi)插頭滑塊急劇減速，以一定的速度撞擊在插頭的外殼上，達(dá)到完全閉合狀態(tài)。

圖8 不同時(shí)刻下滑塊的受力曲線

圖9 滑塊運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖10 滑塊位移曲線

5 結(jié)論

文中利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和UDF程序?qū)苈贩蛛x機(jī)構(gòu)插頭滑塊進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬研究，全面體現(xiàn)了其內(nèi)部的壓力場、速度場以及插頭滑塊的動(dòng)態(tài)特性，研究結(jié)果表明：當(dāng)t=0.008 2 s時(shí)，插頭滑塊的運(yùn)動(dòng)速度值最大可達(dá)到3.996 9 m/s，但在該點(diǎn)附近插頭滑塊所受的合力由正向瞬間變到了負(fù)向最大，變化值為342.91 N，可見插頭滑塊在該點(diǎn)受到巨大的沖擊作用；另外插頭滑塊最后與插頭殼體接觸時(shí)速度和合力皆不為零，需依靠插頭殼體阻止插頭滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而完成插頭滑塊的完全閉合，該過程對(duì)插頭滑塊和殼體都具有較大的沖擊。故該兩點(diǎn)設(shè)計(jì)的情況對(duì)插頭滑塊的工作性能有著很大的影響，在進(jìn)行分離機(jī)構(gòu)插頭滑塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重考慮。