CN112966344B - 一种三通弹簧阀阀芯幅频特性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种三通弹簧阀阀芯幅频特性计算方法，包括如下步骤：(1)对三通弹簧阀进行三维建模、网格离散、求解参数的设置；(2)选取波动流量和计算频段，从小到大设置不同弹簧阀入口波动频率，进行单频激励的阀芯振动响应计算；(3)获取阀芯的幅频特性曲线，分析得到该流量工况下的阀芯的幅频特征参数；(4)重复步骤(2)和步骤(3)，更改不同的直流量和波动量，进行不同流量工况的幅频特性计算，得到弹簧阀全工况的动态幅频特性参数。本发明能够明晰单频激励工况下阀内的流动特性及动态参数，对优化阀芯“质量‑弹簧”系统的质量、刚度和阻尼提供技术支持，并且可以大幅缩减弹簧阀动态特性的实验成本和研制周期。

Description

一种三通弹簧阀阀芯幅频特性计算方法

技术领域

本发明涉及的是一种管路系统单元动态特性分析方法，具体地说是非对称弹簧阀阀芯的动态特性分析方法。

背景技术

管路系统包括泵、阀、管路等单元，管路系统的运行工作点是由泵的扬程性能曲线和管路阻抗特性曲线(包括阀门和管线)共同决定的。在系统进行流量调节时，泵和管路的工作点发生改变，泵的性能曲线和管路的阻抗特性曲线匹配不合理，导致管路系统出现流动失稳现象，产生流量脉动，该脉动流量经过系统的某些单元被放大后，导致管路系统振动过大，严重影响了管路系统运行的稳定性和可靠性。

管路系统中的三通弹簧阀安装在离心泵后，起到调节系统流量、防止回流的作用，该弹簧阀由弹簧、节流套、阀杆、阀瓣等组成，阀杆为空心筒结构，在其底端和中间位置的周向均布4个矩形通流口，节流套为圆柱套筒结构，固定在空排通道上，其周向也均布4个矩形通流口连通阀杆相应矩形通流口，这些矩形口连通阀内流域和空排通道。在阀瓣开启或关闭的过程中，阀杆和节流套产生相对运动，二者矩形通流口的重合面积发生变化，从而控制由进口流入空排口的流量。在小流量工况上游来流仅由空排口回流到泵入口，主出口没有流体通过，大流量工况阀瓣被顶开，空排口关闭，流体全部由主出口流出，当流体从主出口回流时，在流体力和弹簧力的共同作用下阀瓣快速关闭，防止流体回流。弹簧阀作为一个具有“质量-弹簧”系统的自动调节单元，当来流的脉动频率接近阀芯的“质量-弹簧”系统的固有频率时，导致阀瓣共振，阀瓣产生大幅的往复运动，主出口和空排口的流量波动加剧。主出口的波动流量直接影响下游设备的稳定性，空排口连接到泵入口，造成泵入口的流动失稳，在失稳的来流工况下，泵的振动特性恶化。弹簧阀空排口的波动流量和主出口的波动流量在上下游均导致管路系统流动失稳，影响系统运行的稳定性和可靠性，所以在设计阶段需要弄清弹簧阀在不同来流情况下的幅频特性，避免设备在某些工况出现共振问题。

由于三通弹簧阀的“质量-弹簧”系统起到联调主出口和空排口流量的作用，其动态幅频特性很难通过理论计算得到，现阶段对于这种复杂结构的动态特性的研究主要采用实验方法。实验法需要对阀体和阀芯进行打孔，并布置位移传感器，测量阀芯在不同激励下的幅频特性，然后利用实验数据对阀芯的质量和刚度进行优化，最终得到满足全工况指标的弹簧阀设计。这个过程进行了反复的加工实验，耗费了大量人力物力，而且在一些特殊设计情况下无法对设备进行打孔测试。

发明内容

本发明的目的在于提供突破传统的基于实验的幅频特性测试方法，能够在弹簧阀设计阶段获得波动边界下的动态参数，通过优化“质量-弹簧”系统的结构参数，保证弹簧阀在全工况下满足性能指标，达到弹簧阀定量声学设计目的的一种三通弹簧阀阀芯幅频特性计算方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种三通弹簧阀阀芯幅频特性计算方法，其特征是：

(1)对三通弹簧阀进行三维建模、网格离散、求解参数的设置；

(2)选取波动流量和计算频段，从小到大设置不同弹簧阀入口波动频率，进行单频激励的阀芯振动响应计算；

(3)获取阀芯的幅频特性曲线，分析得到该流量工况下的阀芯的幅频特征参数；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)，更改不同的直流量和波动量，进行不同流量工况的幅频特性计算，得到弹簧阀全工况的动态幅频特性参数。

本发明还可以包括：

1、所述对三通弹簧阀进行三维建模、网格离散、求解参数的设置包括：

对壁面网格进行加密处理以满足湍流模型和近壁面函数对第一层网格高度的要求，并且利用进出口压力和流量的实验数据修正计算模型的参数，通过UDF动网格技术时时输出阀芯的动力学参数，为幅频特性的分析做准备。

2、所述单频激励的阀芯振动响应计算包括：

阀芯简化为一个质量-弹簧系统，其在单频激励下的运动微分方程如下：

其解为：

式中，m表示阀芯质量，c表示质量-弹簧系统的阻尼，k表示刚度，w表示激励力的频率，A表示激励力的在系统刚度下的等效位移，H(w)为质量-弹簧系统对激励力的放大系数，该参数表征系统的幅频特性。

3、所述步骤(3)具体为：将步骤(2)的不同入口流量波动频率的计算结果进行汇总处理，得到弹簧阀阀芯的动态幅频特性曲线，并分析放大系数最大的工况弹簧阀主出口和空排口的流量波动、压力波动和内流场的流动状态。

本发明的优势在于：本发明将动网格技术和幅频特性处理方法相结合运用到CFD数值模拟中，实现了弹簧阀在全工况动态幅频特性的计算，利用CFD的方法能够明晰单频激励工况下阀内的流动特性及动态参数，对优化阀芯“质量-弹簧”系统的质量、刚度和阻尼提供技术支持，并且可以大幅缩减弹簧阀动态特性的实验成本和研制周期。

附图说明

图1a为弹簧阀剖视图，图1b为弹簧阀局部放大图；

图2为阀芯“质量-弹簧”系统示意图；

图3为弹簧阀单频激励计算示意图；

图4为阀芯“质量-弹簧”系统幅频特性。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1a-4，本发明包括如下步骤：

步骤一、对三通弹簧阀进行三维建模、网格离散、求解参数的设置。

参考图1弹簧阀结构示意图，进行模型建立、网格离散和求解参数的设置等前处理操作。由于前处理对后续阀芯振动响应的计算的准确性有较大影响，本发明对三维模型进行精细化建模，对壁面网格进行加密处理以满足湍流模型和近壁面函数对第一层网格高度的要求，并且利用进出口压力和流量的实验数据修正计算模型的参数，保证计算模型的准确性的前提下，通过UDF动网格技术时时输出阀芯的动力学参数，为幅频特性的分析做准备。

步骤二、根据设计要求选取波动流量和计算频段，从小到大设置不同弹簧阀入口波动频率，进行单频激励的阀芯振动响应计算。

参考图2，阀芯可以简化为一个“质量-弹簧”系统，其在单频激励下的运动微分方程如下：

其解为：

式中，m表示阀芯质量，c表示“质量-弹簧”系统的阻尼，k表示刚度，w表示激励力的频率，A表示激励力的在系统刚度下的等效位移，H(w)为“质量-弹簧”系统对激励力的放大系数，该参数表征系统的幅频特性。

参考图3弹簧阀单频激励计算示意图，根据设计要求选取入口流量波动幅值和波动频率，确定入口流量的直流量和波动量后，波动频率按照从小到大的顺序施加到弹簧阀入口，由于弹簧阀入口施加的正弦流量波动，该波动量引起阀内压力波动，导致阀瓣受到与入口同频的波动力，从而进行该流量工况下的弹簧阀阀芯的动态频响特性的计算。

步骤三、得到阀芯的幅频特性曲线，分析得到该流量工况下的阀芯的幅频特征参数。

将步骤二的不同入口流量波动频率的计算结果进行汇总处理，参考图4阀芯“质量-弹簧”系统的幅频特性，得到弹簧阀阀芯的动态幅频特性，并分析放大系数最大的工况弹簧阀主出口和空排口的流量波动、压力波动和内流场的流动状态。

步骤四、重复步骤二和步骤三，更改不同的直流量和波动量，进行不同流量工况的幅频特性计算，得到弹簧阀全工况的动态幅频特性参数。

Claims (1)

1.一种三通弹簧阀阀芯幅频特性计算方法，其特征是：

(1)对三通弹簧阀进行三维建模、网格离散、求解参数的设置：

对壁面网格进行加密处理以满足湍流模型和近壁面函数对第一层网格高度的要求，并且利用进出口压力和流量的实验数据修正计算模型的参数，通过UDF动网格技术实时输出阀芯的动力学参数，为幅频特性的分析做准备；

(2)选取波动流量和计算频段，从小到大设置不同弹簧阀入口波动频率，进行单频激励的阀芯振动响应计算：

阀芯简化为一个质量-弹簧系统，其在单频激励下的运动微分方程如下：

其解为：

式中，m表示阀芯质量，c表示质量-弹簧系统的阻尼，k表示刚度，w表示激励力的频率，A表示激励力的在系统刚度下的等效位移，H(w)为质量-弹簧系统对激励力的放大系数，该参数表征系统的幅频特性；

根据设计要求选取入口流量波动幅值和波动频率，确定入口流量的直流量和波动量后，波动频率按照从小到大的顺序施加到弹簧阀入口，由于弹簧阀入口施加的正弦流量波动，该波动量引起阀内压力波动，导致阀瓣受到与入口同频的波动力，从而进行该流量工况下的弹簧阀阀芯的动态频响特性的计算；

(3)获取阀芯的幅频特性曲线，分析得到该流量工况下的阀芯的幅频特征参数：

将步骤(2)的不同入口波动频率的计算结果进行汇总处理，得到弹簧阀阀芯的动态幅频特性曲线，并分析放大系数最大的工况弹簧阀主出口和空排口的流量波动、压力波动和内流场的流动状态；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)，更改不同的直流量和波动量，进行不同流量工况的幅频特性计算，得到弹簧阀全工况的动态幅频特性参数。

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