卸荷阀三维流场数值模拟与试验研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

某型号卸荷阀广泛应用在航天领域中，是航天火箭气动控制系统的重要组成元件，其动态性能要求非常高。卸荷阀的稳定性、可靠性直接影响到整个航天系统的正常运行。此产品装配完成后，在产品测试中经常出现卸荷阀螺杆拧动困难 、大活门难以开启等故障，无法达到设计效果。如果强行开启，势必造成螺杆损伤。长期以来的解决办法是现场工作人员对元件进行重新选配，导致生产效率低下和元件浪费。

目前国内外对卸荷阀的研究较少，而且主要用于民用，大连理T大学的高诚依据主阀芯开启和复位条件以及开启瞬问稳定性要求建立了～种涨圈装配准则；某科研人员通过采用键合图法建立卸荷阀的数学模型，使用 Simulink仿真软件进仿真分析，获得了卸荷阀的主要动态性能及影响因素 121；Keshen Yu和K0irAKAHASHI用流线坐标法对阀内的流厨行了数值计算，计算结果与试验结果-致口 ；太原某大学的科研人员运用仿真软件 AMESim建立 了单向阀及其卸载系统的仿真模型并进行 r仿真，得出液控单向阀卸载过程中阀芯的运动曲线和阀口的压力 I，湖南某学院的科研人员对卸荷阀产生压力转换滞后现象进行了分析并提出了防止措施151。

采用 CFD数值模拟分析方法 ，通过对卸荷阀内流厨行 二维建模 、数值仿真和理论计算 ，对不同结构参数下流道内气体的气流状态进行模拟仿真，对照仿真结果，分析气体流场的变化，并结合理论计算，确定卸荷阀故障原因，进行改进设计，与试验结果进行比较，为降低试验研究成本，缩短开发周期提供了条件 ，为卸荷阀的结构改进提供了指导。

来稿日期：2012-O7-l4基金项目：国家科技重大专项(2009ZX04002-03l，2009ZX04001-024，2009ZX04014-033)作者简介：郭 雷，(1978-)，男，安徽人，讲师，在读硕士研究生，主要研究方向：数字化设计与制造第 5期 郭 雷：卸荷阀三维流场数值模拟与试验研究 972某卸荷阀结构及工作原理某卸荷阀的主要组成部分为：壳体 、大活门、蓄门、顶杆 、弹簧、密封装置，结构如图 1所示。卸荷阀的主要工作原理是当卸荷阀不工作时，弹簧通过对蓄门施加压力来压紧大活门，实现卸荷阀对气体的密封，当卸荷阀工作时，首先用手拧动螺杆将小活门顶开，当蓄门被螺杆顶开之后，由于高压气体的压力使得大活门两端形成瞬间压差 ，大活门开启压力大于关闭压力 实现自动开启，完成高压气体卸荷。此卸荷阀在装配完成后，大活门同壳体之问形成-个径向圆环间隙。由于加工和装配误差，造成此间隙的大小不同，径向间隙在(0.05 0.08)ITITI之间。不同的径向间隙，对卸荷阀内的流翅有不同的影响，由于气体流场的变化复杂，故采用可视化的数值模拟方法得到卸荷阀内部流场的变化情况。

出口1.大活门 2.蓄门 3.壳体 4.螺杆 5.螺帽 6.弹簧7.止动环 8.限程盘 9.螺母图 1卸荷阀结构图Fig.1 Structure Drawing of High-Pressure Unloading Valve3数值分析模型3.1数学模型通过计算 ，模型中的雷诺数 R ·D/v99400，远大于临界雷诺数 Recri(2000～3000)，流体流动状态为湍流[61。计算模型选用标准 k-6湍流模型方程 ，其控制方程包括连续性方程，动量方程，湍动能 k方程和耗散率 方程l7Ol。

连续性方程为：： 0 f1)呶i动量方程为： - 韭OxiOt 毒 )[詈等] (2) ， .1- l呓如 jJ式中：.、IXi-时均速度分量； 、Xi-各坐标分量；P-时均压力；p-流体密度；F-体积力； ～紊流动力粘性系数。

湍动能k和耗散率方程s分别为：Ot 鲁( 嚣Ox 毒) 鲁 s (s) 瓿 ok 溉 、i axOt Ox：鲁(鲁堕0x )iax 。撖 1。

(4)式中： 、C C o"k、 -常数 ； ：0.09，C 1.44， 1.92， 1.0，tr1.3(数值根据某型号卸荷阀设计尺寸选定)。

3.2卸荷阀网格划分卸荷阀流道流场模型结构很复杂，为更好的适应流体特征 ，采用非结构化网格类型，以获得更好的求解精度 。间隙高度(0.0500.080)mm，多面体最小边长0.05ram，最大边长 ].Smm。划分的最星度设置为 15。。如图 2所示。网格划分后 ，检验网格划分质量良好。网格结点数为 44601 6，网格单元数为 1 928042。

图2卸荷阀流体网格模型Fig.2 Fluid Mesh Model of Hi gh-Pressure Unloading Valve3.3边界条件及参数设置(1)进 口边界设置在高压气瓶进气流道的进口，Ⅲ口边界设置在出气 口流道的出口，为避免高压气体回流产生的误差，出口设置为可容许双向流通。

(2)进口压强设为 22.3MPa，出口压强设为大气压，壁面采用固定边无滑移边界条件。

(3)流体介质为温度在 20。C时的空气，流动状态为湍流，采用标准 湍流模型方程。

4 CFD数值模拟结果与分析4.1 CFD计算结果根据卸荷阀零件加工公差及实际加工误差∏体内径与大活I'1#F径会形成厚度为(O.050～0.080)mm的径向间隙。根据在装配后卸荷阀所形成间隙的范围，蠕隙值分别为O.050mm，0，055mm，0.060mm，0.065mm，0.070mm，0.075mm，0.080mm，保持其它工况条件不变，进行数值仿真分析，得出不同间隙下卸荷阀内流场的速度、压强分布，如图3、图4所示。

图 3卸荷阀二维剖面的速度矢量图Fig.3 Velocity Profile of Unloading Valve由卸荷阀气体速度矢量云图可以看出，气体在圆环间隙和出口处速度的大邪方向变化非常复杂，在出口处，高压气体产牛了回流现象；间隙处气流呈现漩涡状态，且压力呈现明显的梯度递减 ，说明圆环间隙结构处是影响流体变化的敏感区域。

No.5Mav.2013 机 械设 计 与 制造活门不能自动打开。试验结果与仿真计算结果基本吻合，卸荷阀径向间隙 0.065mm是大活门能否 自动开启的临界间隙。

6结论(1)通过 CFD分析和计算，随着径向间隙的增大，大活门关闭压力将增大，当间隙大于0.07ram时，关闭压力远大于开启压力。所以径向间隙是影响卸荷阀的大活门能否顺利开启的关键原因。(2)根据仿真分析计算所得的结果与试验结果基本吻合 ，证实了数值模拟分析的有效性和可行性。为××卸荷阀结构的优化设计提供了指导，为降低试验研究成本，缩短开发周期提供了条件。