膜片稳压溢流阀的瞬态数值模拟方法研究

    1 概述

    膜片稳压溢流阀是气动控制系统及稀油润滑系统中的重要装置,用于保证系统中压力及流量的稳定,从而避免事故工况下系统超压带来的损害。本文主要针对膜片稳压溢流阀的工作过程进行CFD动态模拟,研究阀瓣运动使流场区域变化而导致计算网格的生成或消亡,同时对不同阀前静压力作用下阀内流场情况以及开度大小进行分析。

    2 阀瓣受力分析

    膜片稳压溢流阀主要由阀瓣、阀套、阀座、阀体、膜片、弹簧和托盘等组成(图1)。工作介质从下腔经过阀瓣上的通孔进入阀瓣上腔,再经过阀杆上的环形孔进入膜盒作用在膜片的下端面,并与膜片上端面的弹簧压力相平衡〔1〕。当阀前静压力较小时,作用在膜片下端的升力小于弹簧预压力,阀门关闭。当入口压力过大时,向上的升力大于弹簧预压力,膜片和阀瓣通过阀杆带动同时向上运动,弹簧力增大,在新的位置达到力的平衡。

    膜片稳压溢流阀动作过程实际上是力的平衡过程。对膜片稳压溢流阀开启、关闭过程进行三维动态模拟,首先要分析阀瓣的受力情况,主要是确定临界开启压力和开启后压力的大小。

    2.1 临界开启压力

    设流量为额定流量的1%时的压力为开启压力PK,由图1可知,作用在阀瓣上的力平衡方程有

式中 PK—临界开启压力, MPa

    A—膜片的有效面积, mm²

    K—弹簧刚度(K=187 991), N/m

    y0—弹簧预压缩长度, mm

    G—阀瓣、膜片和弹簧等的质量, kg

    Fb—阀瓣的静摩擦力, N

    A₁—阀瓣下端面面积, mm²

    A₂—阀瓣上端面面积, mm²

    2.2 开启后压力

    当介质压力超过溢流阀的定压时,阀瓣向上运动,溢流阀开始排放。在阀瓣开度不断增大过程中,弹簧力变大,同时产生动压头损失,使作用在阀瓣上的液体升力变小,此时阀瓣的力平衡方程为

式中 P—阀开启后的压力, MPa

    Fs—稳态液动力, MPa

    Fs=EP

    E—液动力系数〔1〕

    3 CFD数值模拟过程

    3.1 计算模型的建立及求解

    对膜片稳压溢流阀关闭时的结构进行建模,并对流体区域进行混合网格划分(图2)。在这里,按膜片的有效面积进行简化。在溢流阀入口和出口处分别设置压力入口和压力出口边界条件,同时用标准壁面函数确定固壁附近流体流动。运用N-S控制方程(RANS)配合标准k-E湍流模型对溢流阀内流场进行瞬态数值模拟,时间步长为10-5,采用了SEGREGATED算法,并用SIMPLEC方法实现压力-速度的耦合。