閥門流固耦合的研究進(jìn)展

錢錦遠(yuǎn)，楊佳明，吳嘉懿，金志江

（浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027）

0 引言

閥門是流體輸送過程中的重要控制部件，廣泛應(yīng)于能源、化工、航天等領(lǐng)域，其主要由節(jié)流件與承壓件組成。流體流過節(jié)流件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生渦流、不穩(wěn)定流動(dòng)、空化等現(xiàn)象，加劇了流場(chǎng)的復(fù)雜程 度［1］。復(fù)雜的流場(chǎng)與閥門結(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生各種流固耦合現(xiàn)象。隨著應(yīng)用工況的不斷升級(jí)，閥門的各項(xiàng)性能指標(biāo)也不斷提高。因此，出現(xiàn)了大量應(yīng)用于大流量、高溫高壓、高壓差等復(fù)雜工況下的閥門，這些工況下閥門的流固耦合現(xiàn)象會(huì)更加明顯。

當(dāng)流固耦合現(xiàn)象達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)影響閥門的使用性能和安全性，表1 列舉了部分因流固耦合現(xiàn)象導(dǎo)致閥門失效的案例。從中可以看出流固耦合現(xiàn)象會(huì)對(duì)閥門及與閥門相連的多種部件產(chǎn)生損傷，并最終導(dǎo)致閥門工作效率下降乃至失效。因此，對(duì)閥門的流固耦合現(xiàn)象進(jìn)行研究十分必要。

1 閥門流固耦合分析的理論基礎(chǔ)

流固耦合現(xiàn)象是由流體與固體結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生的，其具體表現(xiàn)為：流體作用于固體結(jié)構(gòu)，使固體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或位移，而變形或位移的固體結(jié)構(gòu)反過來又作用于流體，使流場(chǎng)發(fā)生改變［7］。需要注意的是，有時(shí)雖然存在流、固兩相，但不一定屬于流固耦合范疇，如利用旋風(fēng)分離器分離高速氣流中的固體顆粒，則屬于離散相模型。

流固耦合根據(jù)流體與固體結(jié)構(gòu)耦合機(jī)理，可分為兩類。第一類是流體與固體結(jié)構(gòu)相互重疊、滲透，很難區(qū)分出流體與固體結(jié)構(gòu)的交界面，如水流對(duì)巖土的侵蝕、大氣對(duì)鐵塊的銹蝕等。對(duì)于這類現(xiàn)象，通常是通過建立特定的本構(gòu)微分方程進(jìn)行描述。第二類是流體與固體結(jié)構(gòu)存在明顯的交界面，流固耦合主要在流、固兩相交界面上發(fā)生，其耦合作用通過界面力進(jìn)行傳遞［8-9］。此時(shí)，流、固兩相交界面應(yīng)滿足位移相等、能量守恒、溫度相同且合應(yīng)力為零等條件［10-11］。閥門內(nèi)部流場(chǎng) 和固體結(jié)構(gòu)一般存在明顯的交界面，因此屬于第二類。

根據(jù)流固耦合產(chǎn)生機(jī)制的不同，可以將其分為摩擦耦合、泊松耦合和連接耦合等。摩擦耦合是流體在兩相交界面處與固體結(jié)構(gòu)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生摩擦力，從而引發(fā)的流固耦合現(xiàn)象。一般情況下，摩擦力很小，摩擦耦合也可忽略。泊松耦合是流場(chǎng)壓力與固體結(jié)構(gòu)相互作用，從而產(chǎn)生的流固耦合現(xiàn)象。連接耦合是流體流經(jīng)連接處或節(jié)流件處時(shí)，流場(chǎng)的速度和壓力發(fā)生突變，從而與固體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合作用［12］。在大部分情況下，閥門內(nèi)的流固耦合主要以泊松耦合和連接耦合為主。

結(jié)合表1 可以看出，由流固耦合現(xiàn)象導(dǎo)致閥門失效的案例中，流場(chǎng)的壓力都較高。這是由于此時(shí)，流體對(duì)固體結(jié)構(gòu)的作用十分明顯，流場(chǎng)本身也更加復(fù)雜，更容易產(chǎn)生旋渦、不穩(wěn)定流動(dòng)等現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了泊松耦合與連接耦合的作用。

根據(jù)是否考慮流固耦合現(xiàn)象，閥門的研究方法可以分為單場(chǎng)分析和流固耦合分析。單場(chǎng)分析僅對(duì)閥門的流場(chǎng)或固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。當(dāng)流體與固體結(jié)構(gòu)相互作用不明顯時(shí)，單場(chǎng)分析可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。國內(nèi)外許多學(xué)者利用單場(chǎng)分析對(duì)閥門進(jìn)行了研究，如Qian 等［13-14］研究了先導(dǎo)式截止閥內(nèi)的流場(chǎng)及空化情況，通過與前人的模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了單場(chǎng)分析的準(zhǔn)確性。俞樹榮等［15］通過在閥體內(nèi)表面施加壓力來代替流場(chǎng)，采用單場(chǎng)分析研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥體強(qiáng)度的影響，并對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，顯著降低了閥體的最大應(yīng)力。

流固耦合分析考慮了流體與固體結(jié)構(gòu)的相互作用，更符合閥門的實(shí)際情況。當(dāng)流場(chǎng)壓力較大、流動(dòng)復(fù)雜時(shí)，可以得到比單場(chǎng)分析更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。隋浩等［16］分別采用流固耦合分析和單場(chǎng)分析得到了軸流式止回閥內(nèi)的應(yīng)力分布，并與閥門的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了流固耦合分析得到的結(jié)果更準(zhǔn)確。張凱宏等［17］分別采用兩種研究方法得到了球閥在關(guān)閉時(shí)的水擊壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)了流固耦合分析所得到的水擊壓強(qiáng)較單場(chǎng)分析的小，這是由于在水擊作用下，固體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，并吸收了一部分水擊能量。Cao 等［18］分別采用試驗(yàn)方法、流固耦合分析和單場(chǎng)分析得到了大流量控制閥的流量和壓力分布，發(fā)現(xiàn)流固耦合分析得到的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。此外，Cao 還發(fā)現(xiàn)單場(chǎng)分析與流固耦合分析得到的結(jié)果，在閥體壁面處的差別最大。這是因?yàn)樵诒诿娓浇y門的流固耦合現(xiàn)象最明顯，此時(shí)流固耦合分析得到的結(jié)果更符合實(shí)際情況。

流固耦合分析能同時(shí)得到流場(chǎng)與固體結(jié)構(gòu)的信息，這是單場(chǎng)分析無法做到的。此外，流固耦合分析更符合閥門的實(shí)際情況，能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，因此近年來越來越多的學(xué)者采用流固耦合分析對(duì)閥門進(jìn)行研究。

2 閥門流固耦合分析的試驗(yàn)方法

固體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、變形等是閥門流固耦合現(xiàn)象的直觀體現(xiàn)，在試驗(yàn)時(shí)可以直接測(cè)量。振動(dòng)會(huì)影響閥門的使用性能和安全性，其不僅會(huì)產(chǎn)生噪聲，還可能導(dǎo)致閥門效率下降、發(fā)生泄漏甚至失效。利用加速度傳感器、位移傳感器等傳感器可以直接得到固體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)閥門的振動(dòng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。如 DeBoo 等［19］利用加速度傳感器研究了電磁泄壓閥與安全閥的聲腔共振現(xiàn)象，得到了閥門整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度。Bazsó 等［20］利用電感式位移傳感器研究了泄壓閥的顫振現(xiàn)象，得到了閥桿的振動(dòng)位移。張微等［21］通過在閥門試驗(yàn)件上安裝振動(dòng)傳感器的方法，研究了調(diào)節(jié)閥的振動(dòng)現(xiàn)象，獲得了不同開度時(shí)閥體的振動(dòng)速度，其具體試驗(yàn)系統(tǒng)參見文獻(xiàn)［21］。

在流場(chǎng)作用下，閥門會(huì)發(fā)生變形。當(dāng)變形量過大時(shí)，閥門會(huì)發(fā)生泄漏、失效甚至破裂解體等現(xiàn)象。利用應(yīng)變片和應(yīng)變花等元器件可以得到固體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布。薛子萱等［22］利用應(yīng)變花、應(yīng)變片等，研究了球閥殼體在升壓-保壓-降壓過程中的應(yīng)變情況，結(jié)果表明，在升壓過程中，閥體各部位由于流場(chǎng)的作用應(yīng)變逐漸增加，而在保壓過程中，各部位的應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)小幅度的降低。

對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以幫助研究者們更好地理解流固耦合現(xiàn)象。研究者們通常采用激光多普勒測(cè)速、顆粒示蹤等方法得到閥門內(nèi)部的流場(chǎng)信息，并根據(jù)流場(chǎng)信息可以對(duì)閥門的流固耦合現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。如王國玉等［23］利用高速攝影機(jī)觀察了放水閥的內(nèi)部空化，發(fā)現(xiàn)旋渦空化導(dǎo)致閥門劇烈振動(dòng)的現(xiàn)象。Zhang 等［24］利用壓力傳感器得到了蒸汽調(diào)節(jié)閥的壓力分布，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)及導(dǎo)致的壓力波動(dòng)是該閥門產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。

然而，試驗(yàn)方法也存在較多的局限性，其一般需要投入大量的人力和物力。同時(shí)還受試驗(yàn)條件、測(cè)量手段及測(cè)量精度等限制，經(jīng)常存在試驗(yàn)條件達(dá)不到實(shí)際工況、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集困難等問題。

3 閥門流固耦合分析的數(shù)值方法

隨著計(jì)算流體力學(xué)CFD 及流固耦合理論的發(fā)展，數(shù)值模擬被廣泛地應(yīng)用于閥門的流固耦合分析。目前，能對(duì)閥門的流固耦合進(jìn)行數(shù)值模擬的軟件包主要有：ADINA、CFX+Workbench、FLUENT+Workbench、FLUENT +MPCCI+ABAQUS 和COMSOL 等。 對(duì) 于 非 線性問題，ADINA 具有較強(qiáng)的處理能力［25］，但其前處理能力較弱。CFX+Workbench 及FLUENG +Workbench 對(duì)線性問題處理能力較強(qiáng)。其中，CFX 的物理模型豐富，更容易收斂，但是其動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)不如FLUENT 成熟；對(duì)于大變形問題而言FLUENT+Workbench 更具有優(yōu)勢(shì)［26］。此外，F(xiàn)LUENT 對(duì)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的處理能力更強(qiáng)、UDF 的使用更加方便［27］，因此其對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究能力更為突出。FLUENT+MPCCI+ABAQUS 繼承了FLUENT 對(duì)流場(chǎng)計(jì)算以及ABAQUS 對(duì)固體計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，目前也被廣泛地運(yùn)用于閥門的流固耦合模擬中［28］。

3.1 單向流固耦合與雙向流固耦合

在流固耦合模擬中，流場(chǎng)將壓力傳遞給固體結(jié)構(gòu)，固體結(jié)構(gòu)將節(jié)點(diǎn)位移傳遞給流場(chǎng)。根據(jù)數(shù)據(jù)是否雙向傳遞，流固耦合模擬可分為單向流固耦合與雙向流固耦合，其數(shù)據(jù)傳遞方向具體如圖1 所示。

圖1 單向與雙向流固耦合模擬數(shù)據(jù)傳遞方向Fig.1 Data transfer direction of unidirectional and bidirectional FSI simulation

3.1.1 單向流固耦合

單向流固耦合即流場(chǎng)與固體結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)為單向傳遞。根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞指向，可分為流-固單向耦合和固-流單向耦合。流-固單向耦合是流場(chǎng)將壓力傳遞給固體結(jié)構(gòu)，而固體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移并不反饋給流場(chǎng)。固-流單向耦合是固體結(jié)構(gòu)將節(jié)點(diǎn)位移傳遞給流場(chǎng)，而流場(chǎng)的壓力并不反饋給固體結(jié)構(gòu)。

流-固單向耦合忽略了固體結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響，主要用于閥門的靜力學(xué)分析［29］、小幅度振動(dòng)特性研究［30］等。劉長亮等［31］采用流-固單向耦合，研究了蝶閥在不同開度下蝶板上的應(yīng)力分布，并根據(jù)模擬結(jié)果，將蝶板與閥桿連接處加厚，顯著降低了蝶板的應(yīng)力和變形。婁燕鵬［32］采用CFD 方法對(duì)高壓降蒸汽疏水閥的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，再將流場(chǎng)壁面的壓力脈動(dòng)作為激勵(lì)導(dǎo)入LMS Virtual.Lab，獲得了閥體的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果表明節(jié)流孔孔徑越大，疏水閥的總振級(jí)越大。

固-流單向耦合忽略了流場(chǎng)對(duì)固體場(chǎng)的影響，可以用流場(chǎng)求解器單獨(dú)完成，主要用于模擬處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的閥門固體結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響。葉萬權(quán)等［33］考慮到減震器復(fù)原閥的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，將流場(chǎng)的初始狀態(tài)設(shè)置為從零開始的正弦波，通過模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性與可行性。Yonezawa 等［34］對(duì)某電廠的主蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了固-流單向耦合模擬，將閥頭的運(yùn)動(dòng)方式設(shè)置為理想正弦函數(shù)，獲得了該閥的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)了流場(chǎng)響應(yīng)與閥頭運(yùn)動(dòng)之間的相位滯后現(xiàn)象，以及可能引起控制閥自激振動(dòng)的結(jié)果。

3.1.2 雙向流固耦合

雙向流固耦合是在每次迭代過程中，分別進(jìn)行一次流場(chǎng)和固體結(jié)構(gòu)的計(jì)算，然后通過中間平臺(tái)相互交換數(shù)據(jù)，再進(jìn)行迭代計(jì)算，直到收斂為止。根據(jù)是否考慮固體結(jié)構(gòu)變形，雙向流固耦合可以分為無變形雙向耦合和有變形雙向耦合。

無變形雙向耦合是將固體結(jié)構(gòu)視為剛體，只考慮固體結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)作用下的位移，而不考慮固體結(jié)構(gòu)的變形。周振鋒［35］采用無變形雙向耦合對(duì)電液伺服閥進(jìn)行了研究，得到了閥芯和彈簧管在流場(chǎng)作用下的位移量和閥門的應(yīng)力分布。Hwang 等［36］同樣采用無變形雙向耦合分別研究了考慮與不考慮排氣閥內(nèi)部件位移2 種模型下壓縮機(jī)排氣閥的性能，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)考慮閥門內(nèi)部件運(yùn)動(dòng)的耦合模型可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

有變形雙向耦合既需要考慮固體結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)作用下位移，還需要考慮固體結(jié)構(gòu)的變形。該方法適用于研究閥門的大變形、大幅度振動(dòng)等情況。林礪宗等［26］采用有變形雙向耦合，對(duì)某氣壓密封閥的變形進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在額定壓力下，控水環(huán)的變形量與流體壓力呈正線性關(guān)系。尤澤廣［27］采用有變形雙向耦合，對(duì)某天然氣管道減壓閥各個(gè)部位的疲勞壽命進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)無論是靜載荷還是隨機(jī)振動(dòng)載荷，閥門的最小疲勞壽命總是發(fā)生在減壓閥的進(jìn)口管段到閥座的拐角處。

雙向流固耦合模擬更接近閥門的實(shí)際工作情況。陳楊［37］分別采用單向流固耦合與雙向流固耦合分析了三偏心蝶閥在45°開度時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)兩種模擬結(jié)果差距較大，認(rèn)為是由于閥門的變形較大，單向流固耦合不能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。但是雙向流固耦合計(jì)算難度大、花費(fèi)資源多、難收斂，尤其是有變形雙向耦合，這方面的研究還不普遍。因此，在模擬過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的耦合模型。表2 歸納了部分國內(nèi)外學(xué)者利用流固耦合模擬對(duì)閥門的研究情況，可見振動(dòng)特性、應(yīng)力應(yīng)變以及流場(chǎng)分布是流固耦合模擬的主要內(nèi)容。

表2 部分國內(nèi)外學(xué)者利用流固耦合模擬對(duì)閥門的研究Tab.2 Researches of some scholars at home and abroad on valves using FSI simulation

3.2 雙場(chǎng)耦合與多場(chǎng)耦合

流固耦合可以根據(jù)耦合場(chǎng)數(shù)，分為雙場(chǎng)耦合與多場(chǎng)耦合。

3.2.1 雙場(chǎng)耦合

雙場(chǎng)耦合在多數(shù)情況是流場(chǎng)與固體結(jié)構(gòu)的耦合，此種情況的案例前文已經(jīng)做了大量闡述，這里不再贅述。除此之外，也有一些學(xué)者利用聲固耦合來代替流固耦合。該方法是將流場(chǎng)區(qū)域視為聲場(chǎng)，利用聲場(chǎng)代替流場(chǎng)來進(jìn)行耦合。利用聲固耦合替代流固耦合，可以不受流體載荷類型的限制，能更好地模擬復(fù)雜的流場(chǎng)，只需給定流體介質(zhì)的體積模量以及密度［45］。該方法適用于閥體外壓力較大、流場(chǎng)較復(fù)雜的閥門，如深海閥會(huì)受到水壓、海浪、洋流、地震等一系列外載荷的影響，這時(shí)需要考慮外流場(chǎng)與閥門固體結(jié)構(gòu)的相互作用。張希恒等［46-47］分別利用聲固耦合和流固耦合，分析了深海閥門的振動(dòng)特性，并將兩者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者在低階振動(dòng)上，具有較好的一致性，但在高階振動(dòng)上差異較大。

然而，利用聲固耦合代替流固耦合也有自身的局限性，其無法考慮流體的相變過程（如空化），也無法處理含時(shí)變附加質(zhì)量效應(yīng)的模態(tài) 計(jì)算。

3.2.2 多場(chǎng)耦合

閥門的多場(chǎng)耦合，主要有熱流固耦合和聲流固耦合等。熱流固耦合是在流固耦合的基礎(chǔ)上考慮溫度場(chǎng)對(duì)閥門結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)的影響［48］。在實(shí)際工況下，受溫度的影響，閥門的固體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形。當(dāng)各處變形不能協(xié)調(diào)時(shí)，固體結(jié)構(gòu)會(huì)相互約束從而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力即為熱應(yīng)力。當(dāng)閥門所處環(huán)境溫度十分極端，或固體結(jié)構(gòu)溫度梯度較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，此時(shí)不能忽略溫度場(chǎng)對(duì)閥門流場(chǎng)和固體結(jié)構(gòu)的影響。因此，往往需要采用熱流固耦合。熱流固耦合的求解過程為：首先對(duì)流場(chǎng)求解得到壓力場(chǎng)，其次將流場(chǎng)溫度加載到固體結(jié)構(gòu)，得到固體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，最后將壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)加載到固體結(jié)構(gòu)，從而得到結(jié)構(gòu)變形場(chǎng)，其過程如圖2 所示。

國內(nèi)外學(xué)者利用熱流固耦合對(duì)閥門進(jìn)行了大量的研究，Li 等［49］利用熱流固耦合，對(duì)某蒸汽疏水閥進(jìn)行了研究，獲得了該閥的溫度和應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)了閥門的危險(xiǎn)點(diǎn)。王新海等［50］利用熱流固耦合分別研究了液化天然氣球閥在深冷和常溫工況下的溫度分布、變形情況和應(yīng)力集中現(xiàn)象等，發(fā)現(xiàn)閥門在深冷工況時(shí)的變形量最大。余航等［51］利用熱流固耦合分析了在溫度快速變化時(shí)止回閥的熱應(yīng)力和熱變形，發(fā)現(xiàn)溫度變化較快時(shí)，閥內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。Marek 等［52］同樣研究了蒸汽閥的熱流固耦合現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)溫度越高、溫度梯度越大，閥門的熱應(yīng)力也越大。

圖2 熱流固耦合的求解過程Fig.2 Solution process of thermal-fluid-structure interaction

此外，固體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、流場(chǎng)的空化等現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。利用聲流固耦合可以得到閥門的噪聲分布情況，為閥門的降噪技術(shù)研究提供參考。張師帥等［53］利用聲流固耦合對(duì)冰箱壓縮機(jī)吸氣閥組進(jìn)行了模擬，得到了不同厚度閥片的位移、熱應(yīng)力和相應(yīng)的噪聲等信息。祖洪彪等［54］研究了閥門的流致聲共振，發(fā)現(xiàn)閥門的腔體和管道的幾何參數(shù)對(duì)聲模態(tài)的影響較為明顯。

3.3 流固耦合模擬發(fā)展方向

借助流固耦合模擬，可以對(duì)閥門的應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)特性等問題進(jìn)行研究，可為閥門的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出指導(dǎo)性意見。但流固耦合模擬依然存在一些不足，如計(jì)算速度較慢、大變形問題處理能力較弱、計(jì)算準(zhǔn)確性較低等。針對(duì)這些問題，研究者們也提出了一些新的思路。

目前，針對(duì)閥門的流固耦合模擬多采用弱耦合，即流場(chǎng)與固體結(jié)構(gòu)分別求解再通過耦合界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。弱耦合在各個(gè)時(shí)間步之間流場(chǎng)和固體結(jié)構(gòu)缺少耦合，因此計(jì)算精確程度較低。強(qiáng)耦合是構(gòu)建統(tǒng)一的控制方程，同時(shí)求解流場(chǎng)和固體結(jié)構(gòu)，使耦合界面成為統(tǒng)一的求解區(qū)域［10］。強(qiáng)耦合能獲得更準(zhǔn)確的耦合現(xiàn)象，且不存在時(shí)間滯后等問題。但強(qiáng)耦合的主要缺點(diǎn)是在構(gòu)造控制方程過程中常常需要對(duì)問題進(jìn)行簡化，計(jì)算準(zhǔn)確度較難保證［55］。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流固耦合理論的發(fā)展，強(qiáng)耦合將成為流固耦合模擬的主要發(fā)展方向之一。

在流固耦合模擬中，固體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格往往采用的是拉格朗日描述，即著眼于物質(zhì)點(diǎn)的描述，而流場(chǎng)的網(wǎng)格往往采用歐拉描述，即著眼于空間點(diǎn)的描述。在處理大變形、大位移等情況時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)耦合面運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)調(diào)條件不滿足的情況。針對(duì)此問題，研究者們提出了ALE 移動(dòng)網(wǎng)格法。該方法克服了拉格朗日法的網(wǎng)格畸變問題，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤自由表面流動(dòng)，在流固耦合分析中有較大發(fā)展?jié)摿Γ?］。仲繼則等［56］也提出一種快速動(dòng)網(wǎng)格法，采用同時(shí)空步流固耦合算法，在確保計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)顯著降低了計(jì)算時(shí)間。

此外，無網(wǎng)格法也是一種發(fā)展趨勢(shì)，其是指在數(shù)值計(jì)算時(shí)，不生成網(wǎng)格，而是通過對(duì)一系列任意分布的坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)造插值函數(shù)，模擬復(fù)雜的流場(chǎng)。該方法能避免傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格畸變和重構(gòu)等問題。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種無網(wǎng)格算法，其中與流固耦合領(lǐng)域關(guān)系密切的有SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）、MLPG（Methless Local Petrov-Galerkin）、RKPM（Reproducing Kernel Particle Method）等。但無網(wǎng)格法的研究歷史較短，在計(jì)算效率、邊界條件處理和工程應(yīng)用等方面還無法與傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法相媲美［57］。

4 結(jié)論

（1）相較于單場(chǎng)分析，流固耦合分析更符合閥門的實(shí)際情況，能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。

（2）振動(dòng)與變形是閥門流固耦合現(xiàn)象的直觀體現(xiàn)，可以通過試驗(yàn)方法直接測(cè)量。

（3）對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究可以對(duì)閥門的流固耦合現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)、驗(yàn)證。

（4）流固耦合模擬根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞方向可分為單向流固耦合模擬與雙向流固耦合模擬；根據(jù)耦合場(chǎng)數(shù)可分為雙場(chǎng)耦合與多場(chǎng)耦合。

（5）強(qiáng)耦合、ALE 移動(dòng)網(wǎng)格法、無網(wǎng)格法等方法是流固耦合模擬的發(fā)展方向。