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轴流式止回阀关闭过程的可靠性数值模拟

蔡毅卿  
【摘要】:止回阀作为管路系统中的关键部件,其性能优劣、寿命长短、工作可靠度高低直接影响到泵机组及管道的安全。在对阀门进行可靠性分析时,传统可靠性试验方法往往需要耗费大量的时间和金钱,既不经济且实现困难。所以必须探求新的试验方法,即利用目前较为成熟的液压类产品的数值仿真技术,在试验前通过有效的建模仿真来减少试验次数、降低试验费用等。 在阀门关闭过程中,往往很容易发生水击问题;阀门的运动极其复杂,涉及到液动力和弹簧力相互作用的流固耦合问题,不能用简单的方法反映其运动规律。本文以轴流式止回阀二维模型为研究对象,利用编程给定阀瓣运动的位移、速度、加速度和液动力等参数之间的相互关系,与CFD进行结合,从流场分析的角度分别对静水条件下和停泵条件下的轴流式止回阀关闭过程进行了数值模拟。并结合可靠性理论进行阀门关闭过程中产品的可靠性数值分析,对未来开展针对液压产品可靠性试验与评估提供可以借鉴的方法。论文的主要研究内容如下: (1)UDF及动网格技术很好的再现了二维轴流式止回阀在静水条件和停泵条件下的非稳态关闭过程。止回阀在关闭过程中,阀瓣瞬时响应并关闭阀门;阀瓣运动速度先开始增加到最大速度,之后开始下降直至关闭。 (2)停泵后阀门关闭过程中,作用在阀瓣上的流体力先缓慢增加到某一值后波动下降,下降过程缓慢;在阀门即将完全关闭时,流体力出现振荡变化:流体力正反方向跳跃交替,且数值逐渐增大,最终流体力达到最大使阀门关闭。阀门关闭过程中,随着阀瓣的移动,阀内流场一直在变化。流场压力在阀瓣前后变化始终最大;阀门进口端和出口端的压差一直在增大;流体最大速度始终出现在阀瓣与阀体之间的流道中,在流体流经阀瓣后,由于流速较大的原因产生了漩涡,并出现回流,但回流速度不大;由于阀瓣的运动引起阀瓣附近的流体出现漩涡,且湍动能比下游流道出现的湍动能大。 (3)运用Monte Carlo法进行可靠性概率分析和可靠性灵敏度分析,参考可靠性灵敏度分析结果,弹簧刚度、阀门直径和阀瓣厚度对系统可靠度影响较大。其中增加弹簧刚度、降低阀瓣厚度,可以提高系统的可靠度,从而实现系统的优化设计。


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