管路分離機構閉合過程插頭的動態數值模擬研究

符耀民，賀迪華，趙飛虎

(1.遵義職業技術學院， 貴州遵義 563006；2.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025)

0 引言

管路分離機構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力系統中管路的連通或斷開來對連接設備提供所需的介質和相應的動力[1]。此時插頭會在有壓力的條件下分離，介質作用力也會同時阻礙插頭和插座的閉合，加上此時機構內部流場的分布非常不均勻，這樣的現象則會嚴重影響到插頭滑塊的工作性能[2]，因此需對分離機構中的插頭滑塊在其閉合過程時進行動態的數值模擬研究，分析出插頭在分離過程中內部流場的壓力分布、速度分布和滑塊的受力狀況。

國內外對分離機構的研究取得一定的進展，山東航天電子技術研究所張海濤等[3]利用ADAMS研究空間斷接器的運動特性。劉海娃和湯建華[4]利用IDEAS/TMG研究了航天器上浮動斷接器的熱力學性能，并對其進行了優化。總的來說，目前對管路分離機構的研究較多處于靜力學方面，對其內部的動態數值模擬研究文獻較少且多是利用動力學軟件進行研究，得出的動態特性與實際的動態特性有較大的誤差。

SRIKANTH和BHASKER[5]利用CFX動網格技術對某閥體中閥芯做了動態分析，其結果較為準確地反映了閥芯閉合過程中內部流域的低壓區以及流域漩渦的形成過程。李喆等人[6]利用動網格技術對液路浮動斷接器做相應的數值計算與研究，并根據研究結果提出了安裝精度的優化控制方法。此外，余武江等[7]還運用PumpLinx軟件對某單向閥的內部流場做了數值研究。研究表明，在不同工作壓力、不同質量流量情況下單向閥內部流場的穩定性。

本文作者是運用Fluent動網格以及UDF程序對分離機構的插頭由全開到緊閉的過程進行了動態模擬研究，分析出了插頭滑塊閉合時滑塊的運動對管路分離機構內部流場的影響情況以及流體介質是如何阻礙滑塊閉合的。

1 研究模型

1.1 模型受力分析

由于管路分離機構內部僅有局部區域的流場分布相對較為規則，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動情況，并且著重對其在軸向上的受力情況做相應的分析。當插頭滑塊在閉合過程中軸所向上受到的外力有介質的作用力、彈簧的彈力和黏性阻力。此時黏性阻力的影響相對較小，可以忽略不計。圖1為管路分離機構插頭滑塊的受力圖。

圖1 插頭滑塊受力圖

介質從右向左流動，圖中：Ft表示彈簧力，Fp表示介質作用力，Ff表示介質作用的黏性阻力。

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；x0表示插頭滑塊的軸向坐標。

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時刻的速度；vi+1為滑塊在i+1時刻的速度；si為滑塊在i時刻的軸向位移；si+1為滑塊在i+1時刻的軸向位移。

當ti+1很接近ti時，滑塊可以認為在Δti+1時間段內做了勻速運動，結合式(1)—式(3)有：

(4)

(5)

1.2 插頭滑塊流域模型

由于Fluent軟件無法對完全重疊物體的相對運動進行數值仿真，從而文中針對插頭滑塊結構做簡化處理，并且在滑動頂桿與滑套以及滑塊與套筒座之間還留有相應的間隙，以滿足Fluent軟件中的計算需求。插頭流域模型，如圖2所示。

圖2 插頭流域模型

2 數值方法及邊界條件

在采用動網格技術對插頭滑塊流域進行數值分析時，除了需要初始網格外，還需要進行編寫控制模型邊界運動的相關程序。文中采用了C語言編寫UDF程序，以實現數據接口、材料屬性、幾何網格數據以及網格節點最大位移的定義，從而對插頭滑塊的運動進行實時的控制，由此大大提高了數值計算的動態真實性。

2.1 動網格控制方程

一般任何移動邊界?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)中的時間導數項，則有：

(7)

式中：n和n+1分別表示不同的時間層。

采用動網格計算方法，n+1層上的Vn+1可以表示為：

(8)

(9)

(10)

式中：δVj為Δt間隔內控制體面j變化的空間體積。

2.2 動網格更新方法選用

在Fluent軟件中有Smoothing、Layering和Remeshing 3種網格更新方法[10]。其中Smoothing法的特點是網格變形過程中，把網格邊視為一個受力的彈簧，那么當網格節點產生位置變化時網格的邊則產生對應的彈力，該彈力是符合Hooke定律的；Layering法最大的優點是網格更新速度更快，然而缺點是只適合于簡單的邊界運動；Remeshing法能解決計算區域、形狀復雜和運動行程較長等相關問題。結合本研究對象的特點，文中使用Smoothing與Remeshing相結合的方法對管路分離機構插頭滑塊進行動態模擬計算。

2.3 動態模擬邊界條件設置

對插頭滑塊閉合過程進行模擬時，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UDF程序進行編譯。在Fluent軟件中勾選Unsteady，選用Realizablek-εRealizablek-ε湍流模型以及標準壁面函數對計算流域進行數值計算[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為3.781 5 m/s和3.412 8 m/s，插頭和插座的出口壓力均設為3.40 MPa。選用SIMPLE算法來計算插頭閉合過程速度和壓力的耦合。其中推進劑介質為一甲基肼(MMH)，其密度ρ為874.4 kg/m3，動力黏度μ為7.75×10-4Pa·s。激活Dynamic Mesh，Time Step Size采用自適應時間步長，插頭計算初值時間步長設為6.475 1×10-6s，最小時間步長設為5×10-6s。其余使用默認設置。

3 插頭滑塊動態數值研究

3.1 計算收斂性判別

把速度、連續性殘差、湍動能k和湍流耗散率ε的精度均設置為10-5，此外對求解過程中進、出口的質量流量進行數據監測，如果進、出口的質量流量誤差與進口質量流量的比值在1%以內，可說明數值求解達到收斂[12-13]。從圖3—圖5可以看出，進、出口的質量流量基本相等，可認為計算達收斂。

圖3 計算結果殘差圖

圖4 進口質量流量監測圖

圖5 出口質量流量監測圖

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個不同時刻的壓力場分布，由圖可知：

(1)當t=0 s時，插頭滑塊的速度為0 m/s，此時插頭滑塊將整體流域的壓力場分為兩部分，即前端為高壓區和后端為低壓區。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域，這片區域內壓力的壓力值是逐漸減小的。

(2)在t=0.005 0 s時，插頭滑塊所受合外力開始增加，插頭滑塊的速度也會隨著增大，此時在插頭滑塊后端低壓區部分也能明顯看到該區域的壓力梯度較t=0 s時有所增大，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，插頭滑塊運動的速度比t=0 s、t=0.005 0 s時都相對較大；當插頭滑塊處流域的壓力梯度達到最大時壓力變化的范圍達到最小。

(4)在t=0.009 5 s時，整個閉合過程已經基本上完成，此時的插頭滑塊前、后端區域的壓力值也基本達到了較穩定的狀態。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處于流動的狀態，且還存有一定的流量，這種現象的主要原因是采用Fluent軟件進行數值計算時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

管路分離機構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，插頭滑塊前端介質的流向會呈現出右“V”字型的分布，當插頭滑塊中間部位的介質速度為零時，即處于靜止狀態，在插頭滑塊后端處存在有一個小的漩渦渦流。

(2)在t=0.005 0 s時，插頭滑塊的運動速度也會開始慢慢地加大，插頭滑塊前端的部分介質會出現左“V”字型和右“V”字型的分布，且左“V”和右“V”存在撞擊的現象，插頭滑塊后端的漩渦會逐漸開始增大。

(3)在t=0.008 2 s時，插頭滑塊的運動速度將會達到整個閉合過程中的最大值，其原因是滑塊即將和插頭完全閉合，此時插頭滑塊前端介質呈現出來的左“V”和右“V”分布的撞擊現象是最為劇烈的，同時插頭滑塊后端的漩渦也會逐漸慢慢地減小。

(4)在t=0.009 5 s時，閉合結束，漩渦消失。

圖7 不同時刻插頭滑塊的速度場分布

4 閉合過程的動態特性分析

根據以上受力情況分析可知，插頭滑塊在閉合時會受到彈簧彈力以及介質作用力的作用。通過監測，不同時刻下滑塊在運動過程中的受力、速度以及位移情況都會有所不同，結果如圖8—圖10所示，滑塊在失去支撐到完全閉合的整個過程所需時長為0.009 5 s，具體分析如下：

(1)彈簧力由大變小，整個運動過程彈簧一直受壓，最大值出現在起始位置，所受壓力最大值為160 N。

(2)在t=0.009 5 s時，插頭滑塊與插座閉合最為嚴實，此時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時出現零值，該點附近受力圖呈斷崖式變化，其最大值為-302.91 N。其原因是在該點時插頭滑塊開始截斷液流，使流體介質對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的作用力也同時迅速增加。

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

圖8 不同時刻下滑塊的受力曲線

圖9 滑塊運動速度曲線

圖10 滑塊位移曲線

5 結論

文中利用動網格技術和UDF程序對管路分離機構插頭滑塊進行了實時動態模擬研究，全面體現了其內部的壓力場、速度場以及插頭滑塊的動態特性，研究結果表明：當t=0.008 2 s時，插頭滑塊的運動速度值最大可達到3.996 9 m/s，但在該點附近插頭滑塊所受的合力由正向瞬間變到了負向最大，變化值為342.91 N，可見插頭滑塊在該點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速度和合力皆不為零，需依靠插頭殼體阻止插頭滑塊繼續運動，從而完成插頭滑塊的完全閉合，該過程對插頭滑塊和殼體都具有較大的沖擊。故該兩點設計的情況對插頭滑塊的工作性能有著很大的影響，在進行分離機構插頭滑塊的優化設計時應慎重考慮。