自力式混油切割裝置局部流場模擬及動力學(xué)分析

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，對密度控制導(dǎo)閥局部流場的數(shù)值模擬與動力學(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FLUENT軟件模擬浮子腔體內(nèi)部流場，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ADAMS軟件對簡化后的模型進(jìn)行動力學(xué)分析，通過觀察導(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)閥在密度檢測過程中更加迅速穩(wěn)定。

1.引言

國內(nèi)外成品油固定管線系統(tǒng)在進(jìn)行順序輸送的過程中均采用自動檢測-自動控制-動力執(zhí)行的自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對混油的切割[1]，但在搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事行動等環(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)的自力式混油自動切割裝置可以較好實(shí)現(xiàn)對混油的切割。英國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)錯油罐造成混油事故，本文基于該控制閥的基本原理，針對其優(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程中，密度控制導(dǎo)閥通過滑閥結(jié)構(gòu)所處位置決定控制管路通斷，受控主閥通過閥芯移動控制主管路通斷。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，會開啟A通路；B管重油閥芯前壓力大于閥芯后的壓力，該閥芯會向前移動，堵塞B通路。自力式混油自動切割裝置對混油的檢測是影響混油切割的關(guān)鍵因素，該過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。目前對導(dǎo)閥內(nèi)部流場及運(yùn)動情況尚不清楚，部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置沒有具體依據(jù)，因此本文采用FLUENT軟件對密度控制導(dǎo)閥的局部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，采用ADAMS軟件對其進(jìn)行動力學(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)部流場的研究

浮子腔體作為檢測油品密度的核心部件，其內(nèi)部流場情況直接影響到檢測精度與檢測速度，從而影響最終混油切割效果，本文主要通過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)評價(jià)其檢測速度[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，因此在進(jìn)行建模的過程中對其他因素如排氣閥等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，用于流場數(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MESH軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分共得到198464個網(wǎng)格，908098個節(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，以下簡稱95%汽柴混油）作為輸送油品，如圖5所示，設(shè)置一個速度入口邊界和一個出流邊界，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，通過控制時(shí)間來模擬輸送過程，時(shí)間步長為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FLUENT軟件監(jiān)視浮子腔體出口處的油品密度來表征油品置換速度，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)部的三個不同截面，繪制出其密度云圖如圖7所示，通過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后處理軟件對浮子腔體內(nèi)部三個不同截面的密度進(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，置換速度遠(yuǎn)低于其他區(qū)域。

圖7 浮子腔體內(nèi)部三個截面的密度云圖（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。通過對比圖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)，通過浮子腔體內(nèi)部三個不同界面可以觀察到此時(shí)油品密度已均勻分布，說明通過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)閥檢測油品密度的過程中起著重要作用，并且直接影響導(dǎo)閥檢測油品密度的準(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）的過程，通過導(dǎo)閥芯的位置變化情況對比彈簧工作效率。

3.1.建立簡化模型并施加約束

前期設(shè)計(jì)的密度控制導(dǎo)閥由56個零件組成，如果將整個裝置直接導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置零件的約束運(yùn)動將變得十分麻煩，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)動狀態(tài)的情況下，對模型進(jìn)行簡化[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，因此可以簡化。當(dāng)浮球與導(dǎo)閥閥芯采用直連方式而不通過連桿機(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，因此浮球也可以簡化。簡化后的結(jié)構(gòu)模型如圖10所示。

圖10 密度控制導(dǎo)閥的簡化計(jì)算模型

根據(jù)密度控制導(dǎo)閥在實(shí)際工作過程中各部件間的關(guān)系，對其運(yùn)動學(xué)仿真模型施加約束，密度控制導(dǎo)閥動力學(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，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)過來的浮力，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)動至平衡狀態(tài)，該過程僅有軸向運(yùn)動，因此對鋼球與導(dǎo)閥芯施加固定副，然后對其與導(dǎo)閥體施加平移驅(qū)動副。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個力的作用下運(yùn)動至新的平衡位置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，對此過程中導(dǎo)閥芯的位置變化情況模擬如圖12所示。

通過圖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。

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，對此過程中導(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)沒有波動，位移距離不變，但持續(xù)時(shí)間增長至2s。保持剛度系數(shù)不變，繼續(xù)更改阻尼系數(shù)c=5Ns/m，對此過程中導(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)動至新的平衡位置過程中波動極小，且整個過程持續(xù)時(shí)間不到0.3s，此時(shí)密度控制導(dǎo)閥對浮子腔體內(nèi)部油品密度檢測更加靈敏，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)，通過浮子腔體內(nèi)部三個不同界面可以觀察到此時(shí)油品密度已均勻分布，說明通過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）通過運(yùn)用FLUENT軟件對兩種不同入口流速情況下浮子腔體內(nèi)部流場進(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)系對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，運(yùn)用ADAMS軟件對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)模擬，觀察導(dǎo)閥芯運(yùn)動情況，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)動更加穩(wěn)定、迅速，此時(shí)密度控制導(dǎo)閥對油品密度的檢測更加靈敏。

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