CN116595677B - 用于分析流体阀门卡滞特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于分析流体阀门卡滞特性的方法，具体步骤为：S1、建立流体阀门的三维几何模型，并提取流体阀门的流体域；S2、分别对流体阀门的三维模型和流体域进行网格划分；S3、构建流体阀门的热流固耦合计算模型，并对流体阀门及流体阀门内的流体域的温度场和流体场进行数值模拟计算；S4、对网格数量相差3倍以上的网格进行温度场及流体场的分析；S5、分别从结构变形、颗粒运动特性和流体场特性对流体阀门进行卡滞特性分析，并对流体阀门的结构进行优化。本发明能够及时发现存在故障隐患的流体阀门，防止流体阀门在运行中出现卡滞和控制失效等故障，提高流体阀门运行的安全性。

Description

用于分析流体阀门卡滞特性的方法

技术领域

本发明涉及液压流体阀门技术领域，具体为一种用于分析流体阀门卡滞特性的方法。

背景技术

随着工业技术的不断发展，流体阀门的应用十分广泛。流体阀门主要依靠阀芯的旋转或平移来控制介质的流动方向和流通截面积大小，在液压系统中起调节介质参数、控制介质流向、控制管路开闭等作用。当阀芯受到的阻力过大时，阀门的启闭反应时间增加，阀芯运动不平顺，甚至导致阀芯无法移动，阀门失去动作能力，该现象被称为流体阀门的卡滞现象。在液压装置中，由流体阀门卡滞所引起的故障占液压系统总故障的20％左右，卡滞概率较高，并且阀芯卡滞现象往往发生在实际工程的应用过程中，在流体阀门动作若干次后才会被发现，不易被提前察觉，其危险性高。阀芯卡滞是流体阀门使用过程中的严重问题，有必要对流体阀门卡滞特性进行研究。

造成流体阀门卡滞的原因主要有结构变形、颗粒污染和流场作用。流体介质流经流体阀门阀口发生粘性温升，同时流体介质存在压强，流体阀门在热力耦合作用下产生不同程度的结构变形，导致流体阀门内部阀芯与阀体配合间隙减小，阀芯受到的摩擦力增大，容易造成流体阀门的卡滞；流体阀门在使用过程中存在成分复杂、粒径大小不一的颗粒物，颗粒在阀门运动副间隙中集聚导致阀芯所受阻力增大，可能会造成流体阀门的卡滞；流体阀门内介质会对阀芯产生不平衡径向力矩，即流场力矩，流场力矩会导致阀芯偏心，增大阀芯运动阻力，进而造成流体阀门的卡滞。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于分析流体阀门卡滞特性的方法，主要通过建立流体阀门的三维几何模型并提取流体阀门的流体域，对三维几何模型和流体域分别进行网格划分，并分别基于质量守恒方程、能量守恒方程、可压缩流体Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型，对流体阀门温度场和流体场进行数值模拟。通过分析流体阀门多场耦合作用下的结构变形，基于CFD-DPM方法分析颗粒运动特性并测试颗粒堆积引起的颗粒阻力矩，分析流场造成的流场阻力矩及流场状态，从而分别从结构变形、颗粒运动特性和流体场特性得到流体阀门的卡滞特性，通过判断阀门的卡滞特性是否满足产品的设计要求，以此排查存在故障隐患的阀门，防止阀门在运行中出现卡滞和控制失效等故障，提高阀门运行的安全性，并最终将卡滞特性结果反馈优化流体阀门的结构。

本发明提供了一种用于分析流体阀门卡滞特性的方法，具体实施步骤如下：

S1、建立流体阀门的三维几何模型，利用实体间布尔运算提取流体阀门的流体域；

S2、分别对流体阀门的三维模型和流体域进行网格划分；

S3、构建流体阀门的热流固耦合计算模型，并对流体阀门及流体阀门内的流体域的温度场和流体场进行数值模拟计算：

S31、根据流体阀门传热传质过程中的基本定律，建立流体阀门及流体阀门内的流体域的基本控制方程；

S32、根据流体阀门中流体的可压缩性、高速流动和旋涡流动等特性，建立流体阀门的RNG k-ε湍流模型；

S33、由于流体阀门的热流固耦合计算模型在流固交界面产生热量和力的传递，需满足应力、位移、热流量和温度的守恒，所述守恒的具体表达式为：

其中，下标f和s分别表示为流体阀门流体域和流体阀门固体域，τ表示为应力，n为法线方向矢量，d表示为位移，q表示为热流量，T表示为温度；

S34、给定流体阀门的热流固耦合计算模型的边界条件，并对模型进行初始化，通过迭代计算，得到流体阀门固体域的固体场、流体阀门流体域的流体场和温度场的状态及分布结果；

S4、对步骤S3得到的数值模拟结果，对网格数量相差3倍以上的网格进行温度场及流体场的分析，若分析结果误差大于或者等于5％，则返回进行步骤S2和步骤S3；若分析结果误差小于5％，则进行步骤S5；

S5、分别从结构变形、颗粒运动特性和流体场特性对流体阀门进行卡滞特性分析，并对流体阀门的结构进行优化。

可优选的是，在步骤S31中，在所述基本定律中，根据单位时间内流体阀门内各网格单元内流体质量的增加，等于同一时间间隔内流入网格单元的净质量，建立流体阀门的质量守恒方程，具体表达式为：

其中，为导数符号，u、v和w分别为速度矢量在流体阀门坐标系中三个坐标x、y、z方向上的分量，t为时间，ρ为流体阀门内的流体密度；

根据流体阀门内网格单元内能量的增加率等于进入网格单元的净热流量加上体力与面力对流体阀门所做的功，建立流体阀门的能量守恒方程，具体表达式为：

其中，为导数符号，ρ为流体阀门内的流体密度，矢量符号/> u为速度矢量，λ为传热系数，C_p为比热容，T为温度，S_T为粘性耗散项，Φ为耗散系数；

根据流体阀门中各网格单元的动量对时间的变化率等于外界作用在该网格单元上的各种力之和，可压缩流体的密度随时间改变而发生变化，建立流体阀门的可压缩流体Navier-Stokes方程，具体表达式为：

其中，为导数符号，μ为流体阀门内的流体的动力粘度，p为流体阀门内流体的压力，ρ为流体阀门内的流体密度，S_u、S_v和S_w分别为动量方程的广义源项，

可优选的是，在步骤S32中，所述RNG k-ε湍流模型中湍流动能k方程与能量耗散率ε方程的具体表达式为：

其中，为导数符号，x_i和x_j为流体阀门内流体域的空间坐标，u_i为速度矢量，ρ为流体阀门内的流体密度，μ_eff为有效粘度，G_k为由平均速度梯度引起的湍流动能，G_b为由浮力产生的紊流动能，Y_m为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献，α_k和α_ε分别为方程k和ε有效普朗克数的倒数，S_k和S_ε为用户定义的源项，C_1ε、C_2ε、C_3ε和C_μ为方程常数系数。

可优选的是，所述边界条件，包括流体阀门的进出口边界条件、流体阀门的传热系数和流体阀门的壁面条件。

可优选的是，在步骤S5中，所述结构变形分析的具体操作步骤如下：

S511、根据流体阀门所处的高温高压工况，从步骤S3得到的数值模拟结果中提取流体阀门固体场的温度载荷及流固交界面处的压力载荷；

S512、将流体阀门固体场的温度载荷加载到流体阀门固体域对应的结构上，将流固交界面处的压力载荷加载到流体阀门的流固交界面上，并对流体阀门进行多场耦合作用下的结构变形进行分析；

S513、从步骤S512中提取流体阀门的结构变形、运动副间隙变化尺寸和壁面接触应力，得到形变阻力矩；

S514、在步骤S513的基础上，对网格数量相差3倍以上的网格进行多场耦合作用下的结构变形分析，若分析结果误差小于5％，则进行步骤S52；若分析结果误差大于或者等于5％，则重新进行步骤S511、步骤S512和步骤S513。

可优选的是，在步骤S512中，所述结构变形，其包括流体阀门的受力变形和流体阀门的热变形，

所述流体阀门的受力变形的表达式为：

[K]×{δ}＝{F}

其中，[K]为流体阀门固体域系统的刚度矩阵，{δ}为流体阀门固体域系统的节点位移矩阵，{F}为流体阀门固体域系统的受力矩阵；

所述流体阀门的热变形项的表达式为：

其中，f_T为结构变形，α_T为流体阀门的热膨胀系数，为温度差。

可优选的是，在步骤S5中，所述颗粒运动特性分析的具体操作步骤如下：

S521、从步骤S3得到的数值模拟结果中提取流体阀门流体场的进口参数，所述进口参数，其包括流体阀门的进口平均速度和流体阀门的进口质量流量；

S522、根据颗粒含量和步骤S521提取的进口参数注入颗粒，采用基于欧拉-拉格朗日参考系的CFD-DPM双向耦合方法计算颗粒在流体场中的运动特性；

S523、根据流体场中连续相流场的迭代步，对每个颗粒进行轨迹计算，得到流体场中颗粒相在连续相中的轨迹，并统计流体场出口流出的颗粒数量和进入运动副间隙的颗粒数量，计算颗粒对运动副间隙的侵入速率，计算运动副间隙不同时间下颗粒堆积量变化曲线；

S524、将不同堆积量颗粒注入流体阀门的运动副间隙，得到流体阀门的颗粒卡滞力矩。

可优选的是，在步骤S522中，根据颗粒上的力平衡来计算颗粒在流体阀门流体场中的运动特性，所述颗粒上的力平衡方程的具体表达式为：

其中，m_p为颗粒质量，为流体相速度，/>为颗粒速度，/>为重力加速度矢量，ρ为流体阀门内的流体密度，ρ_p为颗粒的密度，/>为附加力，τ_r为颗粒弛豫时间；

其中，μ是流体阀门内流体的动力粘度，d_p是颗粒直径，Re是相对雷诺数，C_d为颗粒阻力系数，ρ_p为颗粒的密度。

可优选的是，在步骤S5中，所述流场特性分析的具体操作步骤如下：

S531、从步骤S3得到的数值模拟结果得到流体阀门的阀芯表面在流场中受到流体压力，从而得到流体阀门的流场力矩；

S532、从步骤S531中提取流体阀门在不同工况及不同开度下所受流体场的力矩，得到流场阻力矩变化曲线。

可优选的是，在步骤S531中，所述流体阀门的流场力矩的具体表达式为：

其中，∫为积分符号，S包括所有旋转部件的表面，总应力张量，/>垂直于曲面的单位向量，/>位置矢量，/>平行于旋转轴的单位矢量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明能够获得精确的流体阀门温度分布及多场耦合作用下的结构变形，阀门内颗粒的流动特性及造成的颗粒阻力矩，流体阀门内流场状态及流场阻力矩，判断流体阀门的卡滞特性及结构设计合理性进行评估，判断流体阀门的卡滞特性是否满足产品的设计要求，以此排查存在故障隐患的流体阀门，防止流体阀门在运行中出现卡滞和控制失效等故障，提高流体阀门运行的安全性，进而提高航空发动机管路系统及其他流体系统的安全性。

2.本发明基于流体阀门卡滞特性分析方法所得的数值模拟及实验所得结果对阀门进行多次改良及结构优化，直接获得卡滞特性优良及结构设计合理的优质阀门所需的阀门设计参数。因此，本发明是在进行大量的数值模拟计算和实验，确立的一种精度高、计算成本低、研发周期短且符合工程实际的分析方法。

附图说明

图1为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法的流程图；

图2为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法中流体阀门的流固耦合网格划分结果图；

图3为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法中流体阀门运动副间隙的局部放大图；

图4为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法中流体阀门运动副间隙的位置变化图；

图5为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法中流体阀门在不同温度下进口质量流量变化曲线图；

图6为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法中流体阀门流体域内颗粒的轨迹图；

图7为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法中颗粒在流体阀门运动副间隙集聚速率变化曲线图；

图8为本发明用于分析流体阀门卡滞特性的方法中流体阀门在不同开度下的流场力矩变化曲线图。

主要附图标记：

流体阀门固体域网格1，流体阀门流体域网格2，运动副间隙3，颗粒轨迹4。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于分析流体阀门卡滞特性的方法，如图1所示，具体实施步骤如下：

S1、建立流体阀门的三维几何模型，利用实体间布尔运算提取流体阀门的流体域模型。

S2、为便于数值模拟计算，对流体阀门及流体阀门内部的流体域组成的流固耦合模型进行网格划分，并对流体阀门的关键结构位置进行网格加密，得到流体阀门固体域网格1和流体阀门流体域网格2。

S3、构建流体阀门的热流固耦合计算模型，并对流体阀门及流体阀门内部的流体域的温度场和流体场进行数值模拟计算。

S4、根据步骤S3得到流体阀门的温度场及流体场的数值模拟结果，并对不同网格数量下温度场及流体场结果进行分析，如进口平均速度、流固交界面平均温度、最高压力值和运动副间隙3的泄漏量，在网格数量相差3倍以上的情况下，若分析结果误差不小于5％，重新执行步骤S2和步骤S3；若分析结果误差小于5％，则认为结果可靠，则继续进行步骤S5。

S5、由于流体阀门在多场耦合作用下会产生结构变形，当变形量大于流体阀门最小配合间隙时，流体阀门会发生形变阻力矩；颗粒在流体阀门间隙中的堆积会产生颗粒阻力矩；流场会对流体阀门造成流场阻力矩；形变阻力矩、颗粒阻力矩和流场阻力矩的存在造成流体阀门产生卡滞现象，当流体阀门驱动力矩小于形变阻力矩、颗粒阻力矩和流场阻力矩之和时，流体阀门将会出现控制失效故障。因此分别从结构变形、颗粒运动特性和流体场特性对流体阀门进行卡滞特性分析，并对流体阀门的结构进行优化。

进一步的，步骤S3对流体阀门及流体阀门内的流体域的温度场和流体场进行数值模拟计算的具体步骤包括：

S31、为准确模拟计算流体阀门内流体场和温度场的状态和分布，依据流体阀门传热传质过程中所遵循的基本定律，建立流体阀门及其流体域的基本控制方程。

任何流动问题都应满足质量守恒定律，可表述为单位时间内流体阀门内各网格单元内流体质量的增加，等于同一时间间隔内流入网格单元内流体微元体的净质量，建立质量守恒方程的表达式如下：

其中，为导数符号，u、v和w分别为速度矢量在流体阀门坐标系中三个坐标x、y、z方向上的分量，t为时间，ρ为流体阀门内的流体密度。

包含热交换的流动系统和固体传热系统中必须满足能量守恒定律，可表述为流体阀门内网格单元内能量的增加率等于进入流体阀门内网格单元的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功，建立能量守恒方程的表达式如下：

其中,为导数符号，ρ为流体阀门内的流体密度，矢量符号/> u为速度矢量，λ为传热系数，C_p为比热容，/> T为温度，S_T为粘性耗散项，Φ为耗散系数。

流体阀门中流体满足动量守恒定律，即流体阀门中各网格单元的动量对时间的变化率等于外界作用在该单元网格上的各种力之和，可压缩流体的密度随时间改变而发生变化，建立流体阀门的可压缩流体Navier-Stokes方程，其表达式为：

其中，为导数符号，μ为流体阀门内流体的动力粘度，p为流体阀门内流体的压力，ρ为流体阀门内的流体密度，S_u、S_v和S_w为动量方程的广义源项，

S32、根据流体阀门中流体的可压缩性、高速流动和旋涡流动，建立流体阀门的RNGk-ε湍流模型，使基本控制方程封闭，实现流体阀门流体场的数值模拟，RNG k-ε湍流模型中湍流动能k方程与能量耗散率ε方程的具体表达式为：

其中，为导数符号，x_i和x_j为流体阀门内流体域的空间坐标，u_i为速度矢量，ρ为流体阀门内流体密度，μ_eff为有效粘度，G_k为由平均速度梯度引起的湍流动能，G_b为由浮力产生的紊流动能，Y_m为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；α_k和α_ε分别为方程k和ε有效普朗克数的倒数，α_k＝α_ε≈1.393，S_k和S_ε分别为用户定义的源项，C_1ε、C_2ε、C_3ε和C_μ分别为方程常数系数，C_1ε＝1.42，c_2ε＝1.68，对于流动方向与重力方向相同时C_3ε＝1，对于流动方向与重力方向垂直时C_3ε＝0。

S33、在热流固耦合模拟计算过程中，流体阀门的流固交界面会产生热量和力的传递，需要满足应力、位移、热流量和温度的守恒，守恒方程表达式如下：

其中，下标f和s分别表示为流体阀门流体域和流体阀门固体域，τ表示为应力，n为法线方向矢量，d表示为位移，q表示为热流量，T表示为温度。

S34、热流固耦合数值模拟计算：基于上述控制方程，给定流固模型边界条件，包括进出口边界条件、材料传热系数和壁面条件，对模型进行初始化设置，在热流固耦合数值模拟过程中，流体阀门流体域的流体场及温度场结果根据初始值进行迭代计算，当迭代结果达到目标误差时，数值计算完成；提取得到流体阀门固体域的固体场、流体阀门流体域的流体场及温度场状态及分布结果和流体阀门流体场状态及分布结果，如温度云图、流场速度云图、流场压力云图和进出口质量流量。

进一步的，步骤S5中对流体阀门进行卡滞特性分析的具体过程包括，

S51、结构变形分析：

S511、结合流体阀门高温高压的使用工况，流体阀门结构变形受到固体场温度载荷和流固交界面压力载荷的影响，基于步骤S3得到的热流固耦合模拟计算结果，提取流体阀门固体场的温度载荷及流固交界面处的压力载荷。

S512、对结构变形分析所用的流体阀门固体域进行位移和固定约束，将流体阀门固体场温度载荷加载到流体阀门的相应零件结构，将流固交界面处的压力载荷加载到流固交界面，对流体阀门进行多场耦合作用下的结构变形分析，包括流体阀门的受力变形与热变形。

流体阀门的受力变形满足下式：

[K]×{δ}＝{F}

其中，[K]为流体阀门固体域系统刚度矩阵，{δ}为流体阀门固体域系统节点位移矩阵，{F}为流体阀门固体域系统受力矩阵。

流体阀门的热变形项满足下式：

其中，f_T为结构变形，α_T为流体阀门的热膨胀系数，为温度差。

S513、提取流体阀门的结构变形、运动副间隙3的变化尺寸和壁面接触应力，当结构变形造成运动副间隙3变为零，运动副壁面接触产生应力时，使运动副摩擦阻力矩增大的同时，产生较大的形变阻力矩，造成流体阀门的卡滞现象。

S514、对不同数量的网格进行多场耦合作用下的结构变形分析，若在网格数量相差3倍以上的情况下，若结果误差小于5％，则认为结果可靠，进行步骤S52；若结果误差不小于5％，重新划分网格重复步骤S511、步骤S512和步骤S513。

S52、颗粒运动特性分析：

S521、为明确颗粒注入条件，提取流体阀门流体场进口参数，包括流体阀门进口平均速度和流体阀门进口质量流量。

S522、根据颗粒含量及进口参数注入颗粒，采用基于欧拉-拉格朗日参考系的CFD-DPM双向耦合方法计算颗粒在流体场中的运动特性；CFD-DPM双向耦合是基于质量守恒方程、能量守恒方程、可压缩流体Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型对流体阀门的流体场进行数值计算，

CFD-DPM双向耦合模型通过颗粒上的力平衡来预测离散相粒子的轨迹，CFD-DPM方法可准确高效的预测稀相颗粒流运动轨迹，颗粒上的力平衡方程可以写成：

其中，m_p为颗粒质量，为流体相速度，/>为颗粒速度，/>为重力加速度矢量，ρ为流体阀门内的流体密度，ρ_p为颗粒的密度，/>为附加力，τ_r为颗粒弛豫时间。

其中，μ是流体阀门内流体的动力粘度，d_p是颗粒直径，Re是相对雷诺数，C_d为颗粒阻力系数，ρ_p为颗粒的密度。

具体而言，CFD-DPM耦合是一种基于欧拉-拉格朗日参考系的模型，是离散模拟的典型代表，只适用于颗粒相体积分数小于10％，同时不考虑颗粒体积，不考虑颗粒和颗粒之间的相互作用力。当考虑流场和颗粒相互影响时，为双向耦合方法。

S523、每隔若干个连续相流场迭代步，对每个颗粒进行一轮包括一步或多步的轨迹计算，从而将颗粒逐轮、逐步地沿轨迹向前推进，直到颗粒流出连续相，依次得到每一步计算后更新的颗粒状态，进而得到颗粒相在连续相中的轨迹。根据得到颗粒运动轨迹，统计出口流出的颗粒数量和进入运动副间隙3的颗粒数量，计算颗粒对运动副间隙3的侵入速率，计算运动副间隙3不同时间下颗粒堆积量变化曲线。

S524、将不同堆积量颗粒注入流体阀门的运动副间隙3，得到流体阀门的颗粒卡滞力矩。

S53、流场特性分析：

S531、基于步骤S3热流固耦合计算结果可得流体阀门内阀芯表面在流场中受到流体压力，流体压力作用在阀芯面积上对旋转轴产生流场力矩，各微小面积造成的力矩积分可计算得到流体阀门的流场力矩，流体阀门内阀芯所受流场力矩遵循下式：

其中，∫为积分符号，S包括所有旋转部件的表面，总应力张量，/>垂直于曲面的单位向量，/>位置矢量，/>平行于旋转轴的单位矢量。

S532、提取流体阀门不同工况及不同开度下流体阀门所受流体场力矩，得到流场阻力矩变化曲线。

根据步骤S51-S53的形变阻力矩、颗粒阻力矩和流场阻力矩评估流体阀门的卡滞特性，结合步骤S51-S53得到的结构变形特性、颗粒运动特性和流场特性对流体阀门的结构进行优化。

本发明根据结构变形、颗粒运动特性和流场特性来评判流体阀门的卡滞特性，根据结果对阀门防卡滞结构优化进行反馈指导。

以下结合实施例对本发明一种用于分析流体阀门卡滞特性的方法做进一步描述：

在本实施例中，用于分析流体阀门卡滞特性的方法是这样实现的：

S1、建立流体阀门的三维几何模型，利用实体间布尔运算提取流体阀门的流体域模型，具体操作过程如下：

建立流体阀门的三维几何模型，利用实体间布尔运算提取流体域，即一个大空间减掉固体域，剩余为流体域。

对于流体域，指流体对象的边界框作为模拟的边界；所有流体对象必须在流体域内部；没有任何微小液滴可移动到流体域边界外；流体域被包裹在无形力场的三维空间内。

S2、为便于数值模拟计算，对流体阀门及其流体域组成的流固耦合模型进行网格划分，并对流体阀门的关键结构位置进行网格加密，分别得到流体阀门固体域网格1和流体阀门流体域网格2，网格划分结果如图2所示。

S3、构建流体阀门的热流固耦合计算模型，并对流体阀门及其流体域的温度场和流体场进行数值模拟计算。

S31、为准确模拟计算流体阀门内流体场和温度场的状态和分布，依据流体阀门传热传质过程中所遵循的基本定律，建立流体阀门及其流体域的基本控制方程。

S32、根据流体阀门中流体的可压缩性、高速流动和旋涡流动等特性，建立流体阀门的RNG k-ε湍流模型，RNG k-ε模型是基于Standard k-ε模型做出相关改进，提高了高速流动的准确性，旋涡流动的精度，考虑低雷诺数的影响，在更广泛的流动中更精确和可靠，从而实现流体阀门流体场的数值模拟。

S33、在热流固耦合模拟计算过程中，流体阀门的流固交界面会产生热量和力的传递，需要满足应力、位移、热流量和温度的守恒，守恒方程表达式如下：

其中，下标f和s分别表示为流体阀门流体域和流体阀门固体域，τ表示为应力，n为法线方向矢量，d表示为位移，q表示为热流量，T表示为温度。

S34、热流固耦合数值模拟计算：基于上述控制方程，给定流固模型边界条件，包括进出口边界条件、材料传热系数和壁面条件，对模型进行初始化设置，在热流固耦合数值模拟过程中，流体域的流体场及温度场结果根据初始值进行迭代计算，当迭代结果达到目标误差时，数值计算完成；提取得到流体阀门固体域的固体场、流体域的流体场及温度场状态及分布结果和流体阀门流体场状态及分布结果，如温度云图、流场速度云图、流场压力云图、进出口质量流量等。

S4、对步骤S3得到的流体阀门的温度场及流体场的数值模拟结果，包括流场压力、流场速度、流场温度和固体场温度，并对不同网格数量下温度场及流体场结果进行分析，如进口平均速度、流固交界面平均温度、最高压力值、运动副间隙泄漏量等，在网格数量相差3倍以上的情况下，若分析结果误差小于5％，则认为结果可靠，进行步骤S5，否则，重新进行步骤S2和步骤S3，直到分析结果误差小于5％，则继续进行步骤S5。

S5、分别从结构变形、颗粒运动特性和流体场特性对流体阀门进行卡滞特性分析，并对流体阀门的结构进行优化。

S51、结构变形分析：提取流体阀门固体场的温度载荷及流固交界面处的压力载荷，加载到约束下的固体域网格，对流体阀门进行多场耦合作用下的结构变形分析，最后分别提取流体阀门的结构变形、运动副间隙3的尺寸和壁面接触应力，如图3所示为运动副间隙局部放大图。

S511、结合流体阀门高温高压的使用工况，流体阀门结构变形受到固体场温度载荷和流固交界面处的压力载荷的影响，基于步骤S3得到的热流固耦合模拟计算结果，提取流体阀门固体场的温度载荷及流固交界面处的压力载荷，用作结构变形分析的加载条件，同时对单一固体网格进行结构或非结构网格划分。

S512、对结构变形分析所用的流体阀门固体域进行位移和固定约束，将流体阀门固体场温度载荷加载到流体阀门相应零件结构，将流固交界面压力载荷加载到流体阀门的流固交界面，对流体阀门进行多场耦合作用下的结构变形分析，包括流体阀门的受力变形与热变形。

S513、提取流体阀门的结构变形、运动副间隙3的变化尺寸和壁面接触应力，流体阀门的运动副间隙3的变化尺寸如图4所示，当结构变形造成运动副间隙变为零，运动副壁面接触产生应力时，使运动副摩擦阻力矩增大的同时，产生较大的形变阻力矩，造成流体阀门的卡滞现象。

S514、对不同数量的网格进行多场耦合作用下的结构变形分析，若在网格数量相差3倍以上的情况下，若结果误差小于5％，则认为结果可靠，进行步骤S52，否则，重新划分网格重复步骤S511、步骤S512和步骤S513。

S52、颗粒运动特性分析：提取流场进口参数，根据颗粒含量及进口参数注入颗粒，基于CFD-DPM方法计算颗粒在流场中的运动特性，提取不同工况颗粒对运动副间隙3的侵入速率，计算运动副间隙3不同时间颗粒堆积量，将不同堆积量颗粒注入流体阀门运动副间隙3，测试得到流体阀门的颗粒卡滞力矩。

S521、为明确颗粒注入条件，提取流体阀门流体场的进口参数，包括流体阀门进口平均速度和进口质量流量。

S522、根据颗粒含量及进口参数注入颗粒，采用基于欧拉-拉格朗日参考系的CFD-DPM双向耦合方法计算颗粒在流体阀门流体场中的运动特性；CFD-DPM双向耦合是基于质量守恒方程、能量守恒方程、可压缩流体Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型对流体阀门流体场进行数值计算。

CFD-DPM双向耦合模型通过颗粒上的力平衡来预测离散相粒子的轨迹，CFD-DPM方法可准确高效的预测稀相颗粒流运动轨迹。

S523、每隔若干个连续相流场迭代步，对每个颗粒进行一轮包括一步或多步的轨迹计算，从而将颗粒逐轮、逐步地沿轨迹向前推进，直到颗粒流出连续相，依次得到每一步计算后更新的颗粒状态，进而得到颗粒相在连续相中的轨迹。

提取流体阀门流场数值计算得到的进口平均速度、进口流场质量流量结果，流体阀门不同温度下的进口质量流量曲线如图5所示，根据国家标准及流场进口参数，给定颗粒注入参数，包括颗粒材质、颗粒进口速度、颗粒注入量等实现稀相颗粒流的配比。

流体阀门流体场中若掺杂颗粒，颗粒会在流体阀门配合间隙处堆积，造成流体阀门的卡滞，基于CFD-DPM双向耦合方法计算颗粒在流体阀门流体场中的运动特性。

提取流体阀门流体场内的颗粒轨迹4，流体场内的颗粒轨迹4如图6所示，统计进入运动副间隙3的颗粒数量，通过颗粒注入数量及注入速率计算颗粒对运动副间隙3的侵入速率，流体阀门在不同温度下颗粒在运动副间隙3中的堆积速率曲线如图7所示。

S524、通过颗粒对运动副间隙3的侵入速率计算运动副间隙3中不同时间下的颗粒堆积量，将不同堆积量的颗粒注入流体阀门的运动副间隙3，通过试验台测试到流体阀门的颗粒卡滞力矩。

S53、流场特性分析：根据流体阀门的热流固耦合数值模拟结果，提取流体阀门不同工况流场力矩及流场状态。

S531、基于步骤S3热流固耦合计算结果可得流体阀门内阀芯表面在流场中受到流体压力。

S532、提取流体阀门不同工况及不同开度下流体阀门所受流体场力矩，得到流场阻力矩变化曲线，如图8所示。

根据步骤S51-S53的形变阻力矩、颗粒阻力矩和流场阻力矩评估流体阀门的卡滞特性，结合步骤S51-S53得到的结构变形特性、颗粒运动特性和流场特性对流体阀门的结构进行优化。

通过流体阀门多场耦合作用下的结构变形数值计算，得到流体阀门的结构变形规律、运动副间隙3尺寸和壁面接触应力，结构变形较大的位置容易出现变形卡滞，当运动副间隙3尺寸在结构变形后等于零时流体阀门出现结构变形卡滞，当避免接触应力大于零时流体阀门出现结构变形卡滞，综合上述原因对流体阀门的结构变形卡滞进行分析。

通过CFD-DPM方法计算得到颗粒在流体阀门流体场中的运动特性与集聚规律，通过实验测量得到颗粒堆积造成的颗粒卡滞力矩，当颗粒卡滞力矩较大时，流体阀门容易出现颗粒卡滞现象。

通过流场数值模拟计算出流体阀门因不平衡流场力矩及流场状态，流场力矩会阻碍阀门的打开，并导致流体阀门中阀芯偏心及运动阻力过大，当流场阻力矩过大时，流体阀门容易出现流场卡滞现象。

通过上述结果从结构变形、颗粒运动和流场状态分析流体阀门综合卡滞特性，并根据已有结果及数据对流体阀门防卡滞结构进行优化设计。

流体阀门防卡滞结构设计：通过上述流场的不断循环，以较短设计周期得到流体阀门防卡滞结构，提升航空发动机气路系统及其他流体管路系统安全性、稳定性和使用寿命。同时本发明的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

以上所述的实施例仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

S1、建立流体阀门的三维几何模型，利用实体间布尔运算提取流体阀门的流体域；

S2、分别对流体阀门的三维几何模型和流体域进行网格划分；

S3、构建流体阀门的热流固耦合计算模型，并对流体阀门及流体阀门内的流体域的温度场和流体场进行数值模拟计算：

S31、根据流体阀门传热传质过程中的基本定律，建立流体阀门及流体阀门内的流体域的基本控制方程；

在所述基本定律中，流体阀门内各网格单元内流体质量的增加，等于同一时间间隔内流入网格单元内流体的净质量，建立流体阀门的质量守恒方程，具体表达式为：

其中，为导数符号，u、v和w分别为速度矢量在流体阀门坐标系中三个坐标x、y、z方向上的分量，t为时间，ρ为流体阀门内的流体密度；

根据流体阀门内各网格单元内能量的增加率等于进入网格单元的净热流量加上体力与面力对网格单元所做的功，建立流体阀门的能量守恒方程，具体表达式为：

其中，为导数符号，ρ为流体阀门内的流体密度，矢量符号/> u为速度矢量，λ为传热系数，C_p为比热容，T为温度，S_T为粘性耗散项，Φ为耗散系数；

根据流体阀门中各网格单元的动量对时间的变化率等于外界作用在该网格单元上的各种力之和，可压缩流体的密度随时间改变而发生变化，建立流体阀门的可压缩流体Navier-Stokes方程，具体表达式为：

其中，为导数符号，μ为流体阀门内流体的动力粘度，p为流体阀门内流体的压力，ρ为流体阀门内的流体密度，S_u、S_v和S_w分别为动量方程的广义源项，矢量符号

S32、根据流体阀门中流体的可压缩性、高速流动和旋涡流动特性，建立流体阀门的RNGk-ε湍流模型；

所述RNG k-ε湍流模型中湍流动能k方程与能量耗散率ε方程的具体表达式为：

其中，为导数符号，x_i和x_j为流体阀门流体域的空间坐标，u_i为速度矢量，ρ为流体阀门内的流体密度，μ_eff为有效粘度，G_k为由平均速度梯度引起的湍流动能，G_b为由浮力产生的紊流动能，Y_m为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献，α_k和α_ε分别为方程k和ε有效普朗克数的倒数，S_k和S_ε为用户定义的源项，C_1ε、C_2ε、C_3ε和C_μ为方程常数系数；

S33、由于流体阀门的热流固耦合计算模型在流固交界面产生热量和力的传递，流体阀门流体域和流体阀门固体域需满足应力、位移、热流量和温度的守恒，所述守恒的具体表达式为：

其中，下标f和s分别表示为流体阀门流体域和流体阀门固体域，τ表示为应力，n为法线方向矢量，d表示为位移，q表示为热流量，T表示为温度；

S34、给定流体阀门的热流固耦合计算模型的边界条件，并对模型进行初始化，通过迭代计算，得到流体阀门固体域的固体场、流体阀门流体域的流体场和温度场的状态及分布结果；

S4、根据步骤S3得到流体阀门的温度场及流体场的数值模拟结果，并对不同网格数量下温度场及流体场结果进行分析，在网格数量相差3倍以上的情况下，若分析结果误差大于或者等于5％，则返回执行步骤S2和步骤S3；若分析结果误差小于5％，则进行步骤S5；

S5、分别从结构变形、颗粒运动特性和流体场特性对流体阀门进行卡滞特性分析，并对流体阀门的结构进行优化。

2.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，所述边界条件，其包括流体阀门的进出口边界条件、流体阀门的传热系数和流体阀门的壁面条件。

3.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述结构变形分析的具体操作步骤如下：

S511、根据流体阀门所处的高温高压工况，从步骤S3得到的数值模拟结果中提取流体阀门固体场的温度载荷及流固交界面处的压力载荷；

S512、将流体阀门固体场的温度载荷加载到流体阀门固体域对应的结构上，将流固交界面处的压力载荷加载到流体阀门的流固交界面上，并对流体阀门进行多场耦合作用下的结构变形进行分析；

S513、从步骤S512中提取流体阀门的结构变形、运动副间隙变化尺寸和壁面接触应力，得到形变阻力矩；

S514、在步骤S513的基础上，对不同数量的网格进行多场耦合作用下的结构变形分析，在网格数量相差3倍以上的情况下，若分析结果误差小于5％，则进行步骤S52；若分析结果误差大于或者等于5％，则重新进行步骤S511、步骤S512和步骤S513。

4.根据权利要求3所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，在步骤S512中，所述结构变形，其包括流体阀门的受力变形和流体阀门的热变形；

所述流体阀门的受力变形的表达式为：

[K]×{δ}＝{F}

其中，[K]为流体阀门固体域系统的刚度矩阵，{δ}为流体阀门固体域系统的节点位移矩阵，{F}为流体阀门固体域系统的受力矩阵；

所述流体阀门的热变形的表达式为：

其中，f_T为结构变形，α_T为流体阀门的热膨胀系数，为温度差。

5.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述颗粒运动特性分析的具体操作步骤如下：

S521、从步骤S3得到的数值模拟结果中提取流体阀门流体场的进口参数，所述进口参数，其包括流体阀门的进口平均速度和流体阀门的进口质量流量；

S522、根据颗粒含量和步骤S521提取的进口参数注入颗粒，采用基于欧拉-拉格朗日参考系的CFD-DPM双向耦合方法计算颗粒在流体场中的运动特性；

S523、根据流体场中连续相流场的迭代步，对每个颗粒进行轨迹计算，得到流体场中颗粒相在连续相中的轨迹，并统计流体场出口流出的颗粒数量和进入运动副间隙的颗粒数量，计算颗粒对运动副间隙的侵入速率，计算运动副间隙不同时间下颗粒堆积量变化曲线；

S524、将不同堆积量颗粒注入流体阀门的运动副间隙，得到流体阀门的颗粒卡滞力矩。

6.根据权利要求5所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，在步骤S522中，根据颗粒上的力平衡来计算颗粒在流体阀门流体场中的运动特性，所述颗粒上的力平衡方程的具体表达式为：

其中，m_p为颗粒质量，为流体相速度，/>为颗粒速度，/>为重力加速度矢量，ρ为流体阀门内的流体密度，ρ_p为颗粒的密度，/>为附加力，τ_r为颗粒弛豫时间；

其中，μ是流体阀门内流体的动力粘度，d_p是颗粒直径，Re是相对雷诺数，C_d为颗粒阻力系数，ρ_p为颗粒的密度。

7.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，在步骤S5中，流场特性分析的具体操作步骤如下：

S531、从步骤S3得到的数值模拟结果得到流体阀门的阀芯表面在流场中受到流体压力，从而得到流体阀门的流场力矩；

S532、从步骤S531中提取流体阀门在不同工况及不同开度下所受流体场的力矩，得到流场阻力矩变化曲线。

8.根据权利要求7所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法，其特征在于，在步骤S531中，所述流体阀门的流场力矩的具体表达式为：

其中，∫为积分符号，S包括所有旋转部件的表面，总应力张量，/>垂直于曲面的单位向量，/>位置矢量，/>平行于旋转轴的单位矢量。