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模拟球形止回阀中的流体-结构 相互作用

发布时间2019-12-18人气:61

模拟球形止回阀中的流体-结构

相互作用




在流固耦合(FSI)方案中,流体会影响结构,结构会影响流体流量或同时影响两者。为依赖FSI的设备建模时,您可能需要模拟这些选项之一,组合或全部三种。流固耦合多物理场在COMSOL®软件耦合可以很容易地在您的分析实现FSI。在此博客文章中,我们研究了通过球形止回阀的流量,以了解不同的流量方向和压力。

流固耦合的一个简单例子

止回阀是简单的两通阀,其中的流体沿一个方向流动,而另一方向则无回流。球止回阀是一种止回阀,其中在阀内使用一个球来阻止回流。如果您曾经将手动气泵用于自行车车轮或篮球,则可能已经使用了止回阀。用于液体和凝胶分配器(例如洗手液)的微小插头也可以用作球止回阀。


球形止回阀动画视频缩略图

球型止回阀的设计和使用有所不同。对于某些变型,球未装在阀中,而对于另一些变型,球由弹簧机构辅助。这些设备的最大共同点是价格便宜,体积小,制造和构造简单。

球形止回阀也恰好是流体-结构相互作用的一个示例让我们来看看球形止回阀教程模型来演示的收益流固耦合多物理场的耦合COMSOLMultiphysics®软件

使用COMSOL®软件在球式止回阀中模拟FSI

在此模型中,FSI与机械触点相结合,以模拟弹簧加载的球形止回阀的关闭。

球型止回阀模型是一种结构接触问题,其中流体围绕并作用在固体零件(阀壳和球)上。对这样的情况进行建模非常困难,在这种情况下,两个接触的对象将完全切断流的路径。当阀门关闭时,拓扑结构将发生变化,以便将一个流体域分为两个不相交的域。

在此模型中处理该问题的方法是在接触表面上增加一个小的偏移量,这样即使建立了接触,也总是有一个小的流动通道。这样,避免了拓扑变化。但是,产生的通量可以忽略不计,并且压降在非常短的距离内发生。

您可以在两种情况下模拟阀中的流体流动:

  1. 功能,其中作用在球上的流体力在打开压力下打开阀门

  2. 反向,其中球在反向压力下与O形圈接触并阻止回流

COMSOLMultiphysics®的附加组件“ 结构力学模块”和“ MEMS模块”包括用于模拟流固耦合的预定义耦合。流固耦合多物理场耦合设置所有的额外等式需要被考虑的FSI问题。

如上动画所示,由于在模拟过程中球与O形圈之间的缝隙形状发生了很大变化,因此必须重新定型以保持网格元素的良好质量。教程模型演示了一种重新网格化技术,可用于精确解析球和环之间的流体域。

检查球型止回阀中的流量

运行耦合分析后,您可以检查球形止回阀的行为。首先,阀具有功能,可防止逆流情况下的回流并允许功能情况下的流动。在下面的结果中,您可以看到在正常和反向流动条件下阀中的流体压力。您还可以评估固体中的应力。

反向和功能流下球型止回阀中的流体压力图。
反向(左)和功能(右)下的球形止回阀中的流体压力。

确认止回球阀功能正常后,您可以检查该阀的性能并使用结果进行设计考虑。流体的速度是止回阀的重要特性。您可以查看流量如何流经阀门,计算最大速度,并使用出口处的平均速度来确定流经阀门的最大流速。此外,您可以通过绘制压力与流量的关系曲线来查看阀门的工作曲线。

COMSOL Multiphysics中打开球式止回阀的流体速度图。
绘制通过止回球阀出口的流量的图表。

完全打开的功能阶段的流体速度(左)和通过阀门出口的流速(左)。

球型止回阀的工作曲线图,显示了打开压力。
当流量上升到非零值时,此止回球阀的打开压力约为4.5 mbar。


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