球形止回阀中的流-固耦合建模与仿真

2019年 1月 21日

在流-固耦合(FSI)现象中,流体会影响结构,结构同时也会影响流体流量,或者互相影响。使用流-固耦合对装置进行建模时,您可能需要模拟其中一种单向影响(耦合)的情况,也可能需要模拟流体和固体相互影响的情况。 COMSOL® 软件中的流-固耦合 多物理场接口可以让您在研究中轻松地执行流-固耦合。在本篇博客文章中,我们研究了在不同的流向和压力下,通过球形止回阀的流量。

一个简单的流-固耦合示例

止回阀是一个简单的两通阀,其中的流体沿一个方向流动,而另一个方向则无回流。球形止回阀是一种止回阀,通过在阀内安装一个球来阻止回流。如果您曾经使用手动气泵给自行车或篮球充过气,那么您可能已经使用过了球形止回阀。用于液体和凝胶(例如洗手液)分装瓶的小型泵头也可以看作球形止回阀。

 

根据用途,球形止回阀的设计有所不同。对于一些变化,阀中未安装球,而对于另一些变化,球由弹簧辅助。这些装置最大的共同点是价格便宜、尺寸小、制造和构造简单。

球形止回阀恰好是 流-固耦合 的一个示例。查看 球形止回阀 模型案例,让我们来看看在 COMSOL Multiphysics® 软件中执行流-固耦合多物理场耦合的优势。

使用 COMSOL® 软件模拟球形止回阀中的流-固耦合

在此模型中,将 FSI 与机械接触相结合,来模拟用弹簧加载的球形止回阀的关闭。

球形止回阀模型是一个结构接触问题,其中流体围绕并作用在固体零件(阀体和球)上。在这种情况下,两个互相接触的对象将完全切断流体的路径,因此建模非常困难。当阀门关闭时,拓扑结构将发生变化,以便将一个流体域划分为两个不相交的域。

此模型中处理该问题的方法是,在接触表面上添加一个小的偏移量,从而使得即使建立了接触,也始终存在一个小的流动通道。这样,可以避免拓扑结构发生变化。然而,流体流动所产生的通量 可以忽略不计,并且压降只在非常短的距离上存在。

您可以在两种情况下模拟阀中的流体流动:

  1. 功能,作用在球上的流体力达到打开压力从而打开阀门
  2. 反向,球在反向压力下与 O 形圈接触并阻止回流

COMSOL Multiphysics® 的附加产品“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功能。流-固耦合多物理场节点设置了所有在 FSI 问题中需要考虑的额外方程。

根据上面动画显示的结果,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,因此需要重新划分网格以保持网格单元的良好质量。本案例模型演示了一种网格重新划分技术,该技术可准确求解球与 O 形圈之间的流体域。

查看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性能。首先,阀的功能是防止反向回流,并在开启时允许流动。下图中的仿真结果显示,在正常流动和反向流动条件下阀中的流体压力。此外,您还可以评估固体中的应力。
A plot of the fluid pressure in a ball check valve under reverse and functional flows.
反向回流(左)和功能开启时流动(右)条件下,球形止回阀中的流体压力。

在确认球形止回阀的功能符合预期后,您可以检查阀的性能并将仿真结果作为设计参考。流体速度是球形止回阀的重要特性,您可以查看流体是如何穿过阀流动的,计算最大流体速度,并使用出口处的平均速度来确定流经阀的最大流速。另外,您还可以通过绘制压力与流量的函数图来查看阀的工作曲线。

A plot of the fluid velocity for an open ball check valve in COMSOL Multiphysics.
A graph plotting the flow rate through the ball check valve outlet.

完全打开功能阶段的流体速度(左)和阀门出口的流速(右)。
A plot of the operating curve for the ball check valve, showing the opening pressure.
当流量上升到非零值时,球形止回球阀的打开压力约为 4.5 mbar。

当然,COMSOL “案例下载” 页面还有许多关于如何使用 COMSOL Multiphysics 对流-固耦合进行建模的其他案例。您是否正在从事流-固耦合建模分析?欢迎在博客下方留言,告诉我们您的问题。

自己尝试

尝试自己动手使用“流-固耦合”多物理场对球形止回阀建模。单击下面按钮,进入 COMSOL “案例下载”页面,在这里您可以下载 PDF 文档以及有效的软件许可和随附的 MPH 文件。

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