大型隔膜泵進(jìn)料閥箱緊固導(dǎo)管三維流固耦合分析

齊東杰，李文明，陳 揚(yáng)，2，張恩龍

（1.中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110144；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870）

1 模型與邊界條件

兩種不同結(jié)構(gòu)的緊固導(dǎo)管三維模型圖如圖1所示，分別為兩流道和四流道。其中，流道截面尺寸為30mm×15mm。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)閥箱的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并采用專業(yè)前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格均為六面體單元。兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)料閥的流體與結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 兩種緊固導(dǎo)管的三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)料閥內(nèi)部流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

流體部分邊界條件與載荷如下：緊固導(dǎo)管內(nèi)流體下表面為流固耦合邊界，緊固導(dǎo)管與流體無(wú)相對(duì)滑移部分為流固耦合邊界，閥體（除導(dǎo)桿部分）與流體部分為流固耦合邊界；整個(gè)流體邊界為固定墻；緊固導(dǎo)管內(nèi)流體與導(dǎo)管有相對(duì)滑移部分為滑移墻，閥導(dǎo)桿與流體部分為滑移墻，流體整個(gè)對(duì)稱面為滑移墻；進(jìn)料閥進(jìn)口面定義輸流速（流速按照從0時(shí)刻起至0.67s按正比例函數(shù)定義，最大流速為2.65m/s）；閥與流體之間間隙部分定義為GAP邊界條件，GAP根據(jù)尺寸進(jìn)行設(shè)定（閥的開(kāi)啟與關(guān)閉尺寸分別為1 703.5和1 703.2）。

結(jié)構(gòu)部分邊界條件如下：結(jié)構(gòu)部分的流固耦合邊界與流體部分對(duì)應(yīng)；在閥上表面上方30mm位置建立一幾何面以限制閥的升程，該幾何面與閥體上表面所形成的單元面集之間定義接觸對(duì)（幾何面為目標(biāo)面、閥上表面為接觸面）；限制閥體自由度只有豎直方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)緊固導(dǎo)管上表面定義全約束。

兩種結(jié)構(gòu)的進(jìn)料閥內(nèi)腔流體和結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ADINA后如圖3所示。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)料閥內(nèi)部流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ADINA示意圖

2 計(jì)算結(jié)果

在給定的工況下，經(jīng)ANINA流固耦合計(jì)算分析，經(jīng)0.21s后閥達(dá)到最大升程30mm。分別分析兩種結(jié)構(gòu)在閥達(dá)到最大升程以及之后緊固導(dǎo)管內(nèi)的流速變化情況。下面提到的單流道即為結(jié)構(gòu)一模型，雙流道即為結(jié)構(gòu)二模型。

圖4為時(shí)間為0.21s時(shí)單流道單流道流場(chǎng)速度云圖和速度矢量圖，最大速度位于流道出口處，速度方向指向流道外側(cè)。圖5與圖6為時(shí)間為0.67s時(shí)流場(chǎng)速度云圖和速度矢量圖，圖中可以看出速度最大值位于流道出口處，最大速度為820mm/s，而在流道內(nèi)和緊固導(dǎo)管內(nèi)的流體速度均非常小，即緊固導(dǎo)管內(nèi)流場(chǎng)趨近于靜止。

圖4 單流道流場(chǎng)速度云圖和速度矢量圖（t=0.21s）

圖5 單流道流場(chǎng)速度云圖（t=0.67s）

圖6 單流道流場(chǎng)速度矢量圖（t=0.67s）

圖7為時(shí)間為0.21s時(shí)雙流道單流道流場(chǎng)速度云圖和速度矢量圖，相比于單流道，雙流道的最大速度較小，其值為621.2mm/s，位于其中一條流道出口處。而另一條流道流速非常小。圖8時(shí)間為0.22s時(shí)雙流道速度矢量圖，從圖8中可以看出流速減小，右側(cè)流道流速方向開(kāi)始轉(zhuǎn)向。

圖7 雙流道流場(chǎng)速度云圖和速度矢量圖（t=0.21s）

圖8 雙流道流場(chǎng)速度矢量圖（t=0.22s）

圖9 為時(shí)間到達(dá)0.67s時(shí)雙流道流場(chǎng)速度云圖與速度矢量圖，最大速度已經(jīng)達(dá)到1 128mm/s，位于左側(cè)流道出口處與右側(cè)流道轉(zhuǎn)角處。從中可以得出，當(dāng)閥達(dá)到最大升程后，兩條流道形成一條通流流道，且流速非常大。

圖9 雙流道流場(chǎng)速度云圖和速度矢量圖（t=0.67s）

分別取單流道與雙流道轉(zhuǎn)角處較大速度的一點(diǎn)，提取其整個(gè)過(guò)程中的流速，繪制成如圖10所示。從圖10可以看出，閥上升過(guò)程中單流道的流速相對(duì)較大，當(dāng)閥達(dá)到最大升程后，單流道的速度迅速下降。而雙流道自閥達(dá)到最大升程后，其速度經(jīng)過(guò)略微下降后，開(kāi)始迅速上升。

圖10 兩種結(jié)構(gòu)流道轉(zhuǎn)角處的流速曲線圖

3 結(jié)論

1）閥上升過(guò)程中單流道的流速相對(duì)較大，而雙流道相比于單流道可以緩解閥上升過(guò)程中緊固導(dǎo)管的磨蝕。

2）當(dāng)閥達(dá)到最大升程后，單流道內(nèi)速度迅速減小，緊固導(dǎo)管內(nèi)流體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)；而雙流道結(jié)構(gòu)會(huì)在兩條流道內(nèi)形成通流，而且其流動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，流速較大，會(huì)對(duì)緊固導(dǎo)管造成較嚴(yán)重磨蝕。綜合考慮，單流道較有利于緊固導(dǎo)管的使用。