一艘军舰控制阀的动态模拟基于Mechanical-Electric-Fluid Cosimulation模型

文摘

控制阀舰船电力系统的一个重要功能。在工程实践中,控制阀内的流体振荡导致额外的负载阀门致动器。添加额外的负载时的原始负载阀,可能所需的驱动力(或驱动力矩)阀门的大于最大执行机构输出力(或力矩),这可能会导致异常停止的致动器。一般来说,阀门机电组件的相互作用在阀室的流场不能被认为是计算流体动力学(CFD)模拟,所以振荡流体加载不能准确地获得。为了解决这个问题,mechanical-electric-fluid集成阀模型,使用流利的和AMESim cosimulation方法,开发出每个部分的组件之间的交互效应的控制阀和展览在操作过程中流体振荡的控制阀门。与纯软件仿真相比,非定常流特点和致动器的动态响应同步获得在这项研究中,它准确地捕获突然流体加载所需进一步补偿。同时,不同阀插头的性能差异进行比较。阀塞的稳定时间和振荡的振幅不稳定的流体加载不同的控制阀门具有不同的流动特性。结果有助于理解的不稳定机制流体控制阀更好的负载,它提供了计算依据补偿阀塞的附加载荷,改善控制阀的可靠性。

1。介绍

军舰控制阀门阀调节液体运输核电站的核岛屿,传统发电厂(船用汽轮机)和辅助控制系统在商业和军事船只。当军舰执行复杂操作,流量大的突然涌入工作介质,控制阀的动态过程开始,关闭和调整。形成一个不稳定的固耦合(FSI)效应的压力,流量,和结构(如阀塞)控制阀。液体的流动特性之间的交互和阀门内部的运动导致不稳定和振荡流体加载阀塞,造成额外的驱动器上的负载。额外的负载时叠加在原始的负载的控制阀门,阀门所需的驱动力和驱动转矩可能大于最大力量或扭矩输出的驱动器(为了避免损坏阀门密封面,阀杆,阀轴由于输出的力或力矩的致动器大大超过阀的负载,最大输出力或扭矩的1.8倍正常负载),这将导致执行机构不采取行动或执行异常。为了消除流体振荡的影响,提高控制精度和可靠性的控制阀门、执行机构的输出力矩的控制阀可以补偿需求。例如,当阀塞的大型流体载荷,致动器将输出大转矩;当阀塞的小液负载,致动器将输出一个小转矩。因此,有必要准确地获取振荡流体加载阀塞,从而达到补偿额外的耦合负载的目的。

不稳定的流体载荷和流体振荡的控制阀之前已经进行了广泛的探讨。由于阀门的动态运动,可以发生在阀门系统压力和流量波动在火箭推进系统中,它可能是伴随着空化,共振,甚至失败。预测阀运动的瞬态行为,为发动机提供指导操作,使用网格模拟阀运动图书馆战略提出了Ahuja et al。1),李东旭et al。2],希普曼et al。3]。结果引起了阀门的流动特性和不稳定现象。萨哈et al。4]研究了压力阀的动态流动过程使用流利的计算流体动力学(CFD)软件。他们采用了力平衡方法结合动态网格技术来预测轴位置和计算流的瞬态变化的力量。仿真结果也证明了线轴之间的摩擦系数的影响和阀体轴运动。调查的影响高压安全阀动态稳定流动性能,Beune et al。5)进行了CFD分析与投资策略基金会使用多重网格方法。结果表明开阀的特点和可能的不稳定液体和气体流动。此外,他们提出了有针对性的分析方法灵敏度阀动态开放的特点。调查的振动现象蒸汽阀的管道系统中发电厂在部分开放条件下,盛田昭夫et al。6]关注周围的流波动蒸汽控制阀了解阀使用实验和CFD计算不稳定。结果表明,复杂的流与阀体可以导致旋转压力和波动非对称负载middle-opening条件下,阀振动的主要原因。Misra et al。7)引起的自激振动机理研究管道系统基于流固控制阀电路的动态模型。数值结果表明,控制阀的自激振动机理复杂,影响阀门和管道系统,比如水锤效应,负面液压刚度,或声反馈。进一步了解的机制在文丘里阀流激振动,Yonezawa et al。8)进行了数值模拟和实验使用刚性和柔性阀头的支持。他们解释了固有的非定常流和阀头振动之间的关系不同的操作条件。他们还证实,高压区域表面的阀塞的主要原因是横向振荡流动的力量,这是一个消极的阻尼力。许多其他控制阀的研究也进行了(9- - - - - -14]。

然而,电动调节阀组成的耦合闭环系统机械部件被称为调节机制和致动器,电动组件称为控制系统和流体组件称为阀室的流场。阀工作,存在耦合流体中,机械零件和电气组件。在阀流场的数值模拟,CFD软件如流利或排名,不能执行机构和控制系统模型。结果,这两个组件在流场的影响不能被认为是,将不可避免地导致大量模拟偏差的液体阀插头上的负载。此外,大多数的位移曲线的阀塞在当前研究都是预先知道的。然而,在大多数自动阀门、电动调节阀、阀塞位移系统中是自动反馈的结果。的打开控制阀取决于管道压力波动,电动执行机构的驱动力,和机械结构的不平衡力,又受到阀门开度的影响。当然,提前打开曲线难以确定。如AMESim软件或仿真软件可以计算开阀塞的曲线。但在控制阀的动态调整,之间的耦合流场的影响和调节机制是因为FSI:流体影响阀塞的运动通过改变其负载,直接在阀塞的位置变化而变化的流场,并继续影响阀塞的运动。 Here, the valve housing model of the control valve is simplified to a one-dimensional model. Considering the unsteady coupling effect in this limited area is difficult, and the effect of the flow field on the regulating mechanism, actuator, and control system is not adequately considered; thus, the calculation accuracy of the fluid load on the valve plug is also affected. With the increasing complexity of such concerns, the relevant literature shows that some scholars in the fields of machinery, electric power, and architecture [15,16)采用耦合cosimulation方法使用多学科软件有效地解决一些具体问题。一般来说,控制阀的基本功能是改变介质流,压力,温度,或其他参数调节控制单元接收控制信号输出。在这项研究中,我们选择了流量作为控制目标。调节阀的执行机构调节阀门的开启和关闭塞根据控制器的输出信号,以便出口流量达到所需的值。这是一个复杂的反馈控制过程。因此,本研究的重点是进行整体研究的mechanical-electric-fluid系统控制阀使用流利的和AMESim的耦合方法和考虑各种阀组件之间的相互影响,很难观察到在一个单一的软件仿真。最终,液体负载阀塞了,进一步的负载补偿提供了计算依据。

通过cosimulation、一个集成模型的控制阀调节机制、传动装置、控制系统,建立了阀室的流场。这种耦合的验证方案执行。阀塞的速度和位移计算在AMESim获取开阀塞的曲线。我们应用一个用户定义的函数(UDF)和动态网格技术在控制运动的阀塞,流利和阀塞的瞬态流场在不同的运动时间。因此,可能的不稳定流动,执行机构的动态响应,控制阀和不同行为的各种流动特性提出了。

2。数学模型

2.1。流动方程

本研究在一个不可压缩的流体和湍流。因此,流动方程满足质量守恒定律,动量和能量(17,18),数值解决在商业软件包流利。

控制方程描述如下:

连续性方程:

动量方程: 在哪里是速度矢量,是时间,是密度,的压力,动力粘度,是身体力矢量。

作为热交换不介入,能量方程不考虑。

2.2。固耦合动力学方程

图1显示了模拟控制阀的示意图。阀主要由阀体、阀杆,阀塞,电动执行器,一个控制器,一个阀位移传感器,流量计。在这项研究中,控制目标是阀门出口流量。控制阀的工作原理如下:当军舰的工作条件或操作条件改变,出口流量控制阀的偏离预期值。通过流量计的检测和传输和发射机,出口流量发送到控制器。控制器相比,这种流量信号与目标信号和计算输出相应的控制规则。在此基础上输出,电机速度和转矩计算。这个扭矩输出驱动器。然后,根据阀门定位器的反馈信息,流区域阀塞和阀座之间改变使阀出口流量与所需的值一致,从而实现背后的流量控制阀门。

阀塞和茎经常沿着垂直方向约束的阀体结构。控制阀门操作时,阀塞和阀杆移动四种力的作用下,液体负荷 ,电动力 ,地心引力 ,和阀杆和填料之间的摩擦力 ,如图1。根据牛顿定律,加速度阀塞和阀杆的等效质量有关如下: 在哪里阀塞和阀杆的速度,等效粘滞阻尼系数,摩擦力是等效粘性阻尼力,速度成正比。

3所示。Cosimulation模型

3.1。Cosimulation方案设计

原理图(19cosimulation平台如图2。cosimulation只有一个可执行的应用程序可用。流利的模型被确认为大师和飞行员AMESim的模型,被确认为一个奴隶。

相互通信的两个模型,创建一个接口被称为“UserCosim”在AMESim草图。这个接口,生成动态链接库(DLL)从AMESim模型。cosimulation期间,流利的输入和输出数据的交换和实现DLL文件的调用通过一个二次开发的功能称为UDF。在这个过程中,媒介软件微软Visual Studio是用来实现桥接作用。所有数据都同步传输和交换,两个模型之间的沟通发生只在固定的时间步骤(见图3)。

此外,阀塞的运动完成了动态网格技术。流畅的动态网格模型可以用来模拟流流动域的形状被改变随着时间的推移,因为运动的流域边界。运动可以是规定动作(例如,您可以定义线速度和角速度的重心固体与时间)或一个自愿的运动的后续运动决定基于当前时间的解决方案(例如,线速度和角速度从力平衡计算固体)。为了应用动态网格模型,开始卷网和移动的运动区域的描述应提供。流利提供三种动态网格运动方法更新网格运动区,平滑,分层,再啮合的方法。

3.2。AMESim Cosimulation模型

cosimulation模型是建立在AMESim系统(见图4)。模型分为两个部分:数据交换模块和集成模型的控制阀门。数据交换模块,称为UserCosim接口,用于设置交换变量。UserCosim界面的左侧被AMESim变量计算,提供流畅,和右边的变量计算流利并送往AMESim。每个变量成对出现,与每个其他使用接收机和发射机的子。并与相同的颜色属于同一子变量。接收器子模型可以用来接收来自发射机的一个变量子模型没有任何可见的连接示意图。换句话说,接收机的输出实际上是一个重复的发射机输入。的边界上的所有变量交换两个软件呈现在图5。控制阀的集成模型是由流场、调节机制、执行机构和控制系统。在AMESim,流场是由进口和出口压力的来源,是使用来自液压流体模型库构建流边界条件。工作流体是液体水密度为998.2公斤/立方米和动态粘度0.001003公斤/ (m·s)。调节机制和执行机构是由质量、齿条、齿轮、减速器,齿轮,和运动,由机械库。电机的功能是将控制器的输出信号转换为推力和转矩的阀门。的功能齿轮、减速器、齿条和小齿轮是推力和扭矩转换成位移。的调节机制由阀塞和阀杆,由一个质量块。和一个位移传感器连接在质量块获得阀塞位移。调节机制的功能是改变阀的通流面积根据位移信号。 The control system was represented by a proportional-integral-differential (PID) controller and a series of sensors, which were built using electric signal models to link the control units and physical sensors. Here, the sensor used a flowmeter, which was installed on the downstream pipeline of the control valve to monitor the valve outlet flow and connected with the PID controller to form a flow feedback system. The comparison element compared the feedback signal output by the flowmeter with the target value signal to obtain the deviation signal. Then, the controller calculated the deviation signal and transmitted the results to the actuator. The initial parameters of each part of the model are listed in Table1。

在AMESim流利的方向,cosimulation时启动,AMESim提供阀门进口和出口的压力源值作为流利的边界条件。PID控制电动机操作根据提供的流量计测量流利调整阀开启和关闭维护的实际流量接近所需的流量。与此同时,AMESim计算上的力平衡阀塞在控制阀的开启和关闭基于方程(3)。随后,阀塞的位移,从而在AMESim力平衡计算,正反馈给流畅,使其更新阀塞阀位置和动态网格。

3.3。Cosimulation流利的模型

3.3.1。流利的参数设置的数值方法

CFD仿真模型的控制阀门,阀塞的轮廓曲线设计根据线性流动特性(固有的公式20.,21]。前后管道阀门被延长两次,六次,分别与管径,以确保足够的流体流动。使用ANSYS ICEM网格生成。非结构化网格用于整个流场网格,和阀座周围的网格和插头是雅致。选择最终的细胞数量,前一个网格独立研究与计算细胞的几种类型。图6显示的流量阀出口网格数量不同而不同。当网格数量为120000时,流量变化不明显。为了节省计算时间,我们采用网格方案。同样,选择时间步是10⁻⁵年代和内部的数量最大的一个时间步迭代是300后几个级别的测试。在这里,控制阀的动态参数不再发生了进一步的变化随着时间的变化的步骤。图7显示了网格模型的控制阀打开了10%。网格的大小大约是120000个细胞。

仿真软件ANSYS进行流利的17.0;RNG湍流k -ε模型采用(22,23]。阀内的流体流动是液态水AMESim一样。所有的墙都认为没有滑动。压力边界条件定义的UDF用于控制阀的进口和出口。在瞬态流阀,阀体内的阀塞和阀杆移动。阀塞和阀杆表面的边界被定义为动态网格区域的动态网格设置。运动类型的动态区域是刚体运动,这是一个选项可用流利的。在动态网格区域需要定义,以适应阀塞和阀杆运动。平滑和再啮合被网的定义。阀塞的位移,收到AMESim UDF中定义。 And it can be read by the macro “DEFINE_CG_MOTION()” from FLUENT to regenerate the mesh. A segregated solver was used and the PISO algorithm was applied to the coupling of pressure and velocity. And second-order upwind scheme was used for all discrete terms. In the transmit simulation, under relaxation factors have an important influence on the convergence of the simulation. Here, the pressure, the density, the body forces, , ,和湍流粘度设置为0.3,1,1,0.7,0.8,分别和1。当残差小于10⁻⁷连续性和10⁻⁶其他参数,模拟流场被认为达到收敛性判据。

流利的AMESim方向,cosimulation时启动,流利的阀塞的绕流计算基于方程(1)和(2),然后液体负载阀塞的价值由于这个流,以及进口和出口流量的价值,被送到AMESim。阀塞的运动区域控制使用动态网格技术。最终,数据交换和代码之间的耦合发生AMESim和流利。

3.3.2。流利的验证

为了证明的可靠性参数设置和解决方案在流利的模拟,结果的比较验证了钱et al。24]。模型是基于导频控制截止阀和ANSYS模拟17.0流畅,保持所有的参数设置相同的钱等。24]。图8显示了我们的稳定的阀塞位移计算结果和实验结果的钱等。24]。仿真结果和实验结果的趋势是一个可接受的范围内。这证明了纯流利的可行性仿真和验证数值设置用于模拟阀门在这项研究。

3.4。验证方案的耦合

由于实验条件的限制,我们进行了验证耦合方案的比较结果之间的纯粹的流利的模拟和流利/ AMESim cosimulation相同的参数。模型是基于一个简化的弹簧止回阀。这个阀的运动的控制方程表示如下: 在哪里是液体负载阀塞, , ,和的位移、速度和加速度的阀塞,分别弹簧的刚度,阀塞的质量,是等效粘性阻尼系数,阀塞的摩擦力相当于一个粘性阻尼力,阀塞的速度成正比。

在纯流利的模拟、阀塞运动解决了使用一个迭代的方案是基于经典的龙格-库塔方法。当迭代时间步的数量是零,阀门处于静止状态。阀塞的加速度在时间步长计算通过使用以下方程: 在哪里是液体负载阀塞,阀塞的位移,阀塞的速度在哪里数量的时间步骤。

然后,位移和速度阀塞运动的下一个时间步的数量 成为 在哪里是时间步。

UDF编译实现迭代计划,并加载到流利的解算器控制阀塞的运动。更详细的设置和信息网格独立研究和相关的选择时间步讨论了流利的计算部分3所示。3。止回阀的最终网格模型如图9。

流利/ AMESim cosimulation, cosimulation模型数据交换模块和弹簧系统成立于AMESim解算器,如图10。阀塞是由质量。为解决两者之间的交换变量,流利的阀塞的流体载荷计算基于方程(1)和(2)。这种液体载荷输入AMESim模拟基于方程(弹簧系统4)。反馈在AMESim阀塞的速度,反过来,送到流利更新阀塞位置为下一次迭代。

图11显示比较结果的位移响应和液体负荷之间的阀塞纯流利的模拟和流利/ AMESim cosimulation相同的参数。一个好的协议是观察,证明了耦合的可行性方案。

4所示。结果

4.1。动态研究与气门正时

在最初的模拟状态,进口和出口的压力控制阀是10和8 MPa,分别。与此同时,阀门开度维持在10%。首先,一个稳定的模拟使用流利的进行获得稳定的流场,和流量阀出口是25820 L / min。然后,cosimulation进行瞬态计算的情况下设置相同的时间步(在AMESim流畅的解决者),剩余精度(流利的解算器)和计算公差(在AMESim解算器)。此外,内部的数量最大的一个时间步迭代是流利的解算器中设置,以便动态模拟可以在每个时间步长收敛。PID控制器设定的出口流量80000升/分钟。达到所需的值的出口流量,控制阀门的执行机构调整阀门的开启和关闭塞根据控制器的输出信号。当阀门排气口的流量达到目标值,阀门开度不再改变了在一个平衡的位置,和cosimulation达到收敛。

图12显示了阀塞位移的动态曲线,流量阀出口,液体加载和执行机构的驱动力作用在阀塞和阀杆在阀门开度的动态变化。在第一个7 ms,液体负荷作用于阀塞展出一个振荡和不稳定的形式,而致动器最初的驱动力增加,然后降低。和这两股力量的方向改变了在这段时间里。当阀塞位移增加到40毫米的第一个峰值,阀门开度大约是36%。在这个过程中,阀口的流量从一个急剧加速,曲线斜率线性加速度,这是相关的阀塞的增加和减少的速度。随后,阀塞移向关闭方向,和阀口的流量变化慢了下来。所需的流值超过4%后,出口流量逐渐减少。自收到的信号差异PID控制器并不是零,阀塞继续不断调整,及其位移又表现出一些腐烂的波动。最终,在时间t= 0.35 s,阀口的流量大约是80000升/分钟。阀塞仍然在30%的最终开放与一个非常小的波动。同时,阀塞的合力大约是零,这表明,致动器的流体载荷和驱动力作用在插头上往往是稳定的,但有一个轻微的波动。

一艘军舰环境是复杂多变的。跳跃变化在船上的工作条件,当一艘军舰实现许多复杂的战术和技术操作,阀塞受到随机和振荡流体加载过程中动态调整,尤其是来自t= 0.001年代t= 0.005,t= 0.012年代t= 0.016(见图13)。流体的合力致动器的负载和驱动力可能大于或小于实际调整阀塞所需的力,减少控制阀的控制精度。此外,振荡流体负荷会引起振动,噪声,在阀塞和其他危险。因此,振荡流体加载需要补偿需求减少阀塞振荡和改善控制阀的稳定性。

数据14和15描述阀室的压力场和速度分布在阀塞运动。期的模拟,选择最具代表性的时间点。在图的压力分布14表明,流道的压力管道的入口呈下降趋势的管道出口t= 0.001年代t= 0.6 s。口地区的阀塞和阀座之间,是有限的通流面积以及压降大;流的压降主要克服阻力通道控制阀。随着阀塞从第一个最大位移(在时间t= 0.007 s)关闭方向,低压区域生成的阀塞和阀座。随着阀门开度的动态调整,这个低压区域不断扩大,离开阀座阀的下游室为0.012年代<t< 0.090 s。低压的一部分地区也出现顶部的阀住房。在t= 0.6 s,阀塞已经达到平衡,和低压地区逐渐不明显。此外,我们观察到的上端阀塞在低压区域,容易发生空化,导致潜在的损害阀塞。

的压力场t= 0.007 s,阀腔的流体压力下降从底部面对上面的阀塞的脸,和最大压力阀塞的底部附近的大约是9.8 MPa。在随后的5 ms,所占据的区域上的高压区域阀塞的下半部表面逐渐扩大;在t= 0.012年代,特别是在部分地区大约是10 MPa的压力。他指的是流体AMESim获得的负载曲线如图13、流体载荷作用在阀塞在这个时期(从不断增加t= 0.007年代t= 0.012)。最主要的原因是,随着阀塞向关闭方向在此期间,孔区域的通流面积变得更小,阀腔压力波动增加,导致一个更大的区域的高压区域的下表面插头。另一方面,阀塞的流体载荷是通过集成阀塞的表面积与上、下表面上的压力分布的阀塞。因此,增加之间的压差阀塞的上下表面的液体负荷增加。类似的现象发生在从t= 0.090到0.150。因此,观察AMESim的计算结果与对应流利。

图15显示的速度大小轮廓序列。在最初打开阀塞的过程t< 0.005 s,孔的流动面积很小。流渠道在一个强大的节流状态,导致流体压力下降的速度增加孔区域。随着流体加速穿过狭窄的孔的间隙,阀座是喉咙,导致飞机t= 0.007 s,阀塞在高速度。后t= 0.012年代,阀塞向关闭方向,和一个不对称射流发生在双方的阀座。不对称的加速流体液压电感由于惯性引起的。行为表面上的阀塞,加上移动阀塞以及不均匀压力梯度在这个地区,这是主要原因变量和振荡流体加载阀塞(见图13)。

从图16,飞机的速度高于附近的流体区域当流体流过孔板。在第一个10 ms,高速和低速流混合在附近地区,导致强烈的剪切作用,导致在低速区域漩涡的形成。由于结构性障碍,漩涡出现在左边和顶部的阀体,液体停滞不前,它的速度下降。在t= 0.012 s,涡生产气门座的唇不稳定导致脱落,和大量的能源被删除;涡旋脱落的现象改变阀座周围的压力分布(见图14),导致突然改变流体阀插头上的负载。此外,飞机展开进一步的阀的下游,这无法避免流路径的弯曲,从而形成回流区如图所示t= 0.028 s。这个循环区域扩展到下游管道的底部和占领了流道的空间。因此,主流流体挤压,它的流向是打扰。

4.2。动态研究与不同的阀插头

进一步探索的动态性能控制阀塞,我们改变了阀塞的形状。轮廓曲线的两个阀插头速开的流动特性和相等的比例根据计算公式设计的固有流量特性20.,21),和这两个cosimulations阀门进行。在仿真过程中,最初的开阀塞的百分比,在阀门出口所需的流量,边界条件和解决方案参数不变。仿真结果如下。

图17显示阀塞的流体载荷的变化在不同的插头的形状。相比之下,我们观察到在第一1 ms,液体负荷作用于同等比例塞表现出沿水平轴高频振荡,这是更大的流体载荷作用于其他两种类型的阀插头。因此,需要更多的负载补偿比例相等的塞在这个时期。的振荡趋势不稳定的流体载荷作用于速开插头是类似于线性插头,由不规则的特点和pulse-like波动,其波动幅度大于线性塞。随着阀门开度的增加,振幅衰减的流体载荷作用于线性插头是跑得最快的。振荡流体加载所经历的三种不同类型的阀塞逐渐减少,然后一个小范围内波动。阀塞达到平衡时,流体载荷作用于速开插头是最大的,而平等的插头是最小的比例,不同的大约1.3倍,如表所示2。

图18显示了动态变化在流量阀出口。随着阀塞的初始位移的增加,出口流量的控制阀的流量特性相等的比例大幅波动在1毫秒。流的行为符合高频振荡流体加载(图17):流波动越大,振荡幅度越大的液体阀插头上的负载。这个过程产生的冲力阀塞,这将导致结构失效。当三个控制阀门的出口流量与不同的流动特性倾向于期望的价值,所有的阀插头是平衡实现的目标背后的流量控制阀门。

图19显示了流动曲线三个控制阀处于稳定状态。我们观察到出口流量控制阀都近似目标价值,但它有一定的偏离期望的价值,和偏差度小于0.01%,如表所示3。结合实际情况,阀门不能完全保持所需的值,因为外部干扰因素,如自己的结构和工作过程。因此,这一结果表明,三种类型的控制阀后流动特性相同的百分比,快开,和线性达到平衡,其出口流量值与期望值有轻微的差异。

另一方面,尽管平衡阀塞,阀口的流量仍然表现出轻微的所需的值附近波动。比较不同阀插头的稳定时间,我们分析了速度每个阀塞的出口流量稳定考虑0.1%的偏差(在工程允许的范围内)的稳定性判据。换句话说,当出口流量和保持在79920 - 80080 L / min,它被认为已经达到稳定。图19和表3表明出口流量控制阀的流量特性相同的百分比是第一个获得该区域的范围,及其稳定时间是最短的。相比之下,控制阀的流量特性速开落后于其他两个阀门。

总之,当一个一定的压力是在进口和出口的控制阀(在这项研究中,进口和出口的压力是10和8 MPa,分别),阀塞从开放10%背后的平衡位置控制流阀。的稳定时间控制阀的流量特性相同的百分比是快,但这个阀塞受到大幅快速振荡流体载荷的运动过程;快开阀塞需要很长时间才能达到稳定和液体负荷作用于塞大在平衡位置。流体的波动振幅负载应用到线性阀塞相对较低,而这个阀塞的损伤很小。在实践中,控制阀塞的选择和设计要求是由于不同的工作环境。例如,当涉及到军舰上的高度安全区域时,控制阀需要在紧急情况下迅速做出反应来实现快速调节。因此,阀塞的稳定时间是重点,和阀塞与快速稳定时间应该选择。控制阀的工作频繁,阀塞是不断动态调整的过程中,我们应该选择一个较小的波动振幅的阀塞的液体负荷。

5。结论

基于FSI, cosimulation mechanical-electric-fluid系统的控制阀使用流利的和AMESim平台执行。阀组件和流体之间的相互作用是全面考虑。通过耦合计算和数据交换的两个软件,打开曲线控制阀的动态调整过程。UDF和动态网格技术也用于解决瞬时变化的问题造成的计算区域阀塞运动。

与纯模拟相比,本研究进行了同步分析不稳定的流场特性在阀腔和执行机构的动态响应。阀塞的动态移动,出现了多元化的低压区不同大小的阀室,因为FSI效果。不对称的高速流体形成的射流阀座区域附近伴随着涡旋脱落现象。此外,我们发现阀塞表面受到不稳定和振荡流体加载,这很容易导致阀塞振动。这些动态仿真结果可以给理论指导准确补偿额外的液体阀插头上的负载。

控制阀的行为相比有不同的流动特性是通过改变阀塞的形状。进口和出口的压力控制阀的10和8 MPa,分别阀塞开始从10%开的位置,结果表明,比例控制阀的流量特性等对流体流动的影响。在这个阀出口流量的波动和液体的振荡负荷作用于这对一个小孔阀塞很高,超过了控制阀快开的流动特性和线性。需要和更多的负载补偿比例相等的插头。此外,控制阀的流量特性相同的百分比是第一个达到平衡与稳定时间,最快而控制阀的流量特性速开是最慢的。控制阀时稳定,出口流速值之间的偏差和期望的价值对任何类型的控制阀与三个不同的流动特性是微不足道的。由于各种类型的军舰控制阀门,阀门的操作特征应该完全掌握了根据实际工作环境在选择他们。这项研究提供了一个新的见解方案对控制阀的动态分析和性能评价。结果显著减少军舰控制阀的失败率,提高控制精度,延长阀门的生活。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号51775310和51775310),山东的主要研究和开发项目(批准号2019 ghy112052),山东省自然科学基金(批准号ZR2019MEE025),中国国家重点研发项目(批准号2016 yfd0701104),项目科研创新团队的年轻学者山东省高校(批准号2020 kjb001)。

引用

1. 诉Ahuja, a . Hosangadi, p .李东旭,r·龙骑士达因”分析复杂的阀门和饲料系统瞬态事件,”美国第41张仁/ ASME / SAE / ASEE联合推进会议和展览美国亚利桑那州图森市,页1-13,2005年7月。视图:谷歌学术搜索
2. p . a .李东旭a . Hosangadi诉Ahuja,“瞬态模拟阀低温系统的运动,”张仁学报35流体动力学会议和展览,页1 - 11,多伦多,安大略省,加拿大,2005年6月。视图:谷歌学术搜索
3. j·希普曼a Hosangadi,诉Ahuja”不稳定分析阀系统的火箭发动机测试环境,”张仁学报40 / ASME / SAE / ASEE联合推进会议和展览,页1 - 10,劳德代尔堡,佛罗里达州,美国,2004年7月。视图:谷歌学术搜索
4. b·k·萨哈h .将p·b·Mandal和t . Gangopadhyay”压力调节和关闭阀的动态模拟,将“电脑&液体卷,101年,第240 - 233页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. a . Beune j·g·m·Kuerten, m·p·c·范Heumen“CFD分析固耦合开放高压安全阀,”电脑&液体,卷64,不。3、108 - 116年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 盛田昭夫,r . f . Inada m . Mori k .手冢,和y Tsujimoto“CFD模拟和实验流波动的蒸汽控制阀,”流体工程,卷129,不。1,48-54,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. a . Misra k Behdinan, w . l .管理学克雷霍恩讲座”的自激振动控制阀由于固耦合,”流体和结构》杂志上,16卷,不。5,649 - 665年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. k . Yonezawa r . Ogawa k奥吉et al .,“蒸汽控制阀的流激振动,”流体和结构》杂志上,35卷,不。776年,第88 - 76页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. c .柏林和a . Engeda”分析流不稳定在一个重新设计的蒸汽控制阀,”应用热工程卷。83年,40-47,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. g . Palau-Salvador p Gonzalez-Altozano, j . Arviza-Valverde”三维建模和几何影响液压控制阀的性能,”流体工程,卷130,不。1,第163 - 151页,2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 刘谢y, y, y, f .曹和y锅,“不稳定的控制阀由于流固耦合分析,“数学问题在工程ID 174731条,卷。2013年,7页,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. j . Tecza g . Chochua, r·摩尔”固耦合分析汽轮机节流阀,”美国ASME涡轮世博会土地,海洋和空气格拉斯哥,页2329 - 2338年,英国,2010年6月。视图:谷歌学术搜索
13. 太阳x, x, z郑,d .黄”固耦合分析高压调节阀的600 mw超超临界汽轮机,”美国机械工程师学会学报》上,一个部分:电力和能源》杂志上,卷229,不。3、270 - 279年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. h . Wang蔡明俊。彭,Y.-k。刘,S.-w。刘,R.-y。徐,h·赛义德,“剩余使用寿命预测技术的电动阀门与卷积内核和LSTM核电站,”核设施的科学和技术卷。2020年,1-13,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. r . Fadaeinedjad m . Moallem, g . Moschopoulos”模拟风力涡轮机与双馈式感应发电机的快速仿真软件,”IEEE能量转换,23卷,不。2、690 - 700年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. r·张k . p . Lam研究所。张姚,y,“耦合EnergyPlus和计算流体动力学模拟自然通风,”建筑与环境卷,68年,第113 - 100页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. t . Kerh j·j·李,l . c . Wellford“瞬态固耦合在一个控制阀,”流体工程,卷119,不。2、354 - 359年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. r . Messahel c·里根m . h . Souli和c . Ruiu“齐次平衡模型和固耦合数值调查水多相流管道,”国际多相流杂志》上卷。98年,56 - 66,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. LMS,LMS想象。牧师联合仿真实验室AMESim通用13用户指南,Roanne,法国,2013年。
20. 艾默生电气有限公司控制阀手册美国洛瓦,2005年。
21. b·菲茨杰拉德化学过程工业控制阀门美国麦格劳-希尔,纽约,纽约,1995年。
22. 诉Yakhot和s . a .奥斯泽格”,重整化群湍流分析。即基本理论”,杂志的科学计算,1卷,不。1,3-51,1986页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 崔j·l . Wang, k .姚明,“气体流场的数值模拟和分析在锯齿状阀专栏中,“中国化学工程杂志》上,16卷,不。4、541 - 546年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. J.-Y。钱,Z.-X。高,j。王,Z.-J。金”,实验和数值分析的弹簧刚度流和飞行员控制截止阀,阀芯运动”国际期刊的氢能源,42卷,不。27日,17192 - 17201年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2021家珍汉等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。