基于流固耦合的高壓環境下壓力容器開啟沖擊特性研究

趙 燈，王升德，呂 達，張增磊*

(武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢 430000)

引言

密閉壓力容器在高壓環境開啟過程中，外界處于高壓狀態的水與壓力容器內壓縮空氣之間相互作用能夠對容器內壁面形成一定的暫態高壓沖擊，在一定程度上影響到設備的安全性和可靠性，為深入研究內壁面在高壓氣液兩相流作用下的沖擊特性提供了要求。隨著仿真技術的進一步增強，復雜工況下多學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，而流固耦合動力學為解決該類問題有著良好的普適性[3-4]。流固耦合動力學是固體力學與流體力學交叉產生的新學科，統籌考慮了固體域與流體域，著重研究兩相相互作用，其著重研究固體在流場作用下產生形變，同時又由于形變導致流場變化，是一種統籌兼顧的研究方法[5]。劉江川[6]利用該技術建立水流場-閘門-漂浮物模型，研究了深海漂浮物對平面鋼閘門的沖擊影響。常富[7]采用流固耦合法，對閘門進行水動力學模型試驗分析，對閘門進行優化設計，防止閘門在運行中產生共振，有效增強了閘門的可靠性。

本文利用流固耦合技術，針對高壓環境中密閉壓力容器開啟過程涉及的瞬態沖擊問題，充分考慮到空氣的可壓縮性，利用動網格技術，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內壁面的瞬態沖擊特性，系統為設備結構優化和系統參數設置提供了一定的參考。

1 密閉壓力容器流固耦合模型

1.1 流固耦合相關理論

流固耦合問題分析根據流體域和固體域之間物理場耦合程度的不同，可分為強耦合和弱耦合，對應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和結構場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求解流固控制方程，但在實際應用中，直接法很難將現有的計算流體動力學和計算固體力學技術真正結合到一起。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行數據傳遞。該方法對計算機性能的需求大幅降低，可用來求解實際的大規模問題。本文利用ansysworkbench 采用分離解法對密閉容腔開啟過程涉及的流固耦合問題進行求解。

流體控制方程主要由連續性方程、動量方程和能力方程控制，分別為

固體控制方程可以簡化為

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，應滿足流體與固體應力、位移、熱流量、溫度等變量的相等或守恒，即滿足如下4 個方程：

1.2 雙向流固耦合仿真模型

本文首先通過對密閉壓力容器開啟過程進行簡化，可分為外場水域、近場水域以及容器內空間三部分，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 動網格技術，采用udf 宏命令DEFINE_CG_MOTION 對蓋板運動進行控制，使得在壓力容器蓋板開啟過程中流域網格具有壓縮與重構的功能，保證整個運動過程不會出現負體積單元。

由于內壁面整體屬于薄壁件，尺寸較大而厚度較薄，為了獲取更加準確的求解結果，加快計算收斂性，本文對內壁面進行抽中面處理，使用二維曲面進行替代，其中曲面厚度為內壁面厚度，其網格劃分見圖2。

圖2 內壁面中面網格

最后，本文利用ANSYS workbench 的耦合模塊systemcoupling，本文對壓力容器開啟過程進行雙向流固耦合求解計算，分析了高壓環境中壓力容器開啟過程對內壁面的沖擊影響。

2 內壁面沖擊特性

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

圖3 容器內空氣相含率

在開啟初始瞬間，在壓差驅動下容器外高壓水進入容器內，而容器內空氣由于其具有可壓縮性，在一定程度上被壓縮，不會立刻逸散出容器外。

如圖3(a)所示，在開啟1s 時刻，高壓水主要在轉動軸對側位置進入容器，且能夠對內壁面產生一定的沖擊，但由于空氣的緩沖作用，其瞬態沖擊力有適當的減弱。容器內空氣仍處于被壓縮狀態，在水流的作用下主要集中在轉動軸附近和對側空間內。

如圖3(b)所示，在開啟2s 時刻，開啟角度進一步增加。由于容器蓋板的限制，引起了轉動軸附近大量壓縮空氣將會沿著壁面逸出，而另一側壓縮空氣仍處于被壓縮狀態。此時大量高壓水進入容器內，對內壁面產生了持續的沖擊，且會沿著內壁面留下，導致轉動軸另一側空氣與內壁面脫離。

如圖3(c)所示，在開啟3s 時刻，開啟角度再次增大。此時容器開啟程度足夠大，轉動軸另一側壓縮空氣向上逸出，逐漸與上部附近空氣匯聚。同時由于大量水進入容器，空氣逐漸逸出，容器內空間將主要以水為主，對內壁面再次形成了緩沖層，能夠減弱外界水對內壁面的沖擊。

如圖3(d)所示，在開啟4s 時刻，容器內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 內內壁面在水的暫態沖擊作用下產生的最大形變和最大應力。

圖4 內壁面最大形變

圖5 內壁面最大應力

在開啟前，容器內空氣處于被壓縮狀態，容器外高壓水還沒有進入，能夠在內壁面上產生一定的初始形變0.135 2 mm，形成初始最大應力27.25 MPa。

在開啟后較短時間內，內壁面最大形變和最大應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，最大應力最低降至26.1 MPa。在開啟初期，容器內空間與外界聯通，有少量空氣逸散出去，而水還未接觸內壁面，容器內空氣壓強會有適當降低，導致了內壁面上形變和應力減小。

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

在0.4～0.7 s 階段，最大形變呈現減小后增大，而最大應力變化較為平穩。在該階段中，水流與內壁面接觸部位穩定，形成了持續穩定的暫態沖擊，導致了最大應力出現位置變化不明顯，內壁面最大應力變化也較為平穩。考慮到內壁面形狀，最大形變必然會出現在內壁面的最高位置，在水流沖擊作用下內壁面會產生微弱的顫動，導致了最大形變有一定變化波動。

在0.7 s 后，空氣逐漸逸出容器，氣壓會緩慢降低，導致了內壁面最大形變降低。開度的增加，引起了更多的水流進入容器，能夠對內壁面產生更大的沖擊，導致了內壁面最大應力進一步增加。

在2.5 s 后，容器空氣大量逸出，逐漸被高壓水填充，內壁面的壓強主要由容器內水壓決定。此時水流對內壁面的沖擊逐漸減弱，最大應力和最大形變都趨于穩定。

3 結論

本文針對高壓環境中密閉壓力容器開啟過程中涉及的多相流、暫態沖擊等問題，采用雙向流固耦合方法對該過程進行了仿真求解，得到了如下主要結論：

(1) 在開啟過程中，密閉壓力容器內壓縮空氣的緩沖作用能夠有效減弱外界高壓水對內壁面的沖擊作用，對內壁面產生了明顯的保護作用，其中最大應力僅為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動、高壓水-空氣之間相互影響，利用流固耦合技術能夠更準確地對薄壁結構的沖擊特性進行研究，對結構優化、系統升級具有一定的指導作用。