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模擬球形止回閥中的流體-結構 相互作用

發布時間2019-12-18人氣:435

模擬球形止回閥中的流體-結構

相互作用




在流固耦合(FSI)方案中,流體會影響結構,結構會影響流體流量或同時影響兩者。為依賴FSI的設備建模時,您可能需要模擬這些選項之一,組合或全部三種。流固耦合多物理場在COMSOL?軟件耦合可以很容易地在您的分析實現FSI。在此博客文章中,我們研究了通過球形止回閥的流量,以了解不同的流量方向和壓力。

流固耦合的一個簡單例子

止回閥是簡單的兩通閥,其中的流體沿一個方向流動,而另一方向則無回流。球止回閥是一種止回閥,其中在閥內使用一個球來阻止回流。如果您曾經將手動氣泵用于自行車車輪或籃球,則可能已經使用了止回閥。用于液體和凝膠分配器(例如洗手液)的微小插頭也可以用作球止回閥。


球形止回閥動畫視頻縮略圖

球型止回閥的設計和使用有所不同。對于某些變型,球未裝在閥中,而對于另一些變型,球由彈簧機構輔助。這些設備的最大共同點是價格便宜,體積小,制造和構造簡單。

球形止回閥也恰好是流體-結構相互作用的一個示例。讓我們來看看球形止回閥教程模型來演示的收益流固耦合多物理場的耦合COMSOLMultiphysics?軟件。

使用COMSOL?軟件在球式止回閥中模擬FSI

在此模型中,FSI與機械觸點相結合,以模擬彈簧加載的球形止回閥的關閉。

球型止回閥模型是一種結構接觸問題,其中流體圍繞并作用在固體零件(閥殼和球)上。對這樣的情況進行建模非常困難,在這種情況下,兩個接觸的對象將完全切斷流的路徑。當閥門關閉時,拓撲結構將發生變化,以便將一個流體域分為兩個不相交的域。

在此模型中處理該問題的方法是在接觸表面上增加一個小的偏移量,這樣即使建立了接觸,也總是有一個小的流動通道。這樣,避免了拓撲變化。但是,產生的通量可以忽略不計,并且壓降在非常短的距離內發生。

您可以在兩種情況下模擬閥中的流體流動:

  1. 功能,其中作用在球上的流體力在打開壓力下打開閥門

  2. 反向,其中球在反向壓力下與O形圈接觸并阻止回流

COMSOLMultiphysics?的附加組件“ 結構力學模塊”和“ MEMS模塊”包括用于模擬流固耦合的預定義耦合。流固耦合多物理場耦合設置所有的額外等式需要被考慮的FSI問題。

如上動畫所示,由于在模擬過程中球與O形圈之間的縫隙形狀發生了很大變化,因此必須重新定型以保持網格元素的良好質量。教程模型演示了一種重新網格化技術,可用于精確解析球和環之間的流體域。

檢查球型止回閥中的流量

運行耦合分析后,您可以檢查球形止回閥的行為。首先,閥具有功能,可防止逆流情況下的回流并允許功能情況下的流動。在下面的結果中,您可以看到在正常和反向流動條件下閥中的流體壓力。您還可以評估固體中的應力。

反向和功能流下球型止回閥中的流體壓力圖。
反向(左)和功能(右)下的球形止回閥中的流體壓力。

確認止回球閥功能正常后,您可以檢查該閥的性能并使用結果進行設計考慮。流體的速度是止回閥的重要特性。您可以查看流量如何流經閥門,計算最大速度,并使用出口處的平均速度來確定流經閥門的最大流速。此外,您可以通過繪制壓力與流量的關系曲線來查看閥門的工作曲線。

COMSOL Multiphysics中打開球式止回閥的流體速度圖。
繪制通過止回球閥出口的流量的圖表。

完全打開的功能階段的流體速度(左)和通過閥門出口的流速(左)。

球型止回閥的工作曲線圖,顯示了打開壓力。
當流量上升到非零值時,此止回球閥的打開壓力約為4.5 mbar。


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