模拟球形止回阀中的流-固耦合作用

2019年 1月 21日

在流-固耦合(FSI)场景中,流体会影响结构,结构也会影响流体流量,或者二者互相影响。在对基于流-固耦合运行的装置进行建模时,您可能需要模拟其中一种单向影响,也可能需要模拟流体和固体相互影响。 COMSOL® 软件中的流-固耦合 多物理场接口可以帮助您轻松地实现流-固耦合仿真分析。在本篇博客中,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。球形止回阀是止回阀的一种,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。在一些变体中,阀中未安装球,而对于另一些变体,球是由弹簧辅助的。这些装置最大的共同点是价格便宜、尺寸小、生产和构造简单。

球形止回阀恰好是 流-固耦合 的一个示例。让我们通过 球形止回阀 模型案例,来看看使用 COMSOL Multiphysics® 软件进行流-固耦合多物理场仿真的优势。

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

结构力学模块”和“MEMS 模块” 是 COMSOL Multiphysics® 的附加产品,包含了一个预定义的耦合节点,可用于模拟流体和固体的相互作用。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。您是否正在进行流-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。

FSI相关博客

 


评论 (9)

正在加载...
孝祥 魏
孝祥 魏
2022-08-22

您好,请问流固耦合中可以使用湍流和结构场进行耦合吗?

hao huang
hao huang
2022-08-22 COMSOL 员工

您好,可以耦合的,在软件中可以直接添加。

炳一 贾
炳一 贾
2022-10-26

您好,请问案例中弹簧基座预变形的predef(t)是什么意思?

Hao Li
Hao Li
2022-11-02 COMSOL 员工

这里predef(t)是一个平滑的阶梯函数,用来逐步增加的弹簧的作用,从而使仿真更易收敛。

鑫 王
鑫 王
2023-03-20

流固耦合中可以考虑接触和摩擦问题吗

洋洋 张
洋洋 张
2023-03-29 COMSOL 员工

可以,该博客介绍的球形止回阀的案例就考虑了球和阀门之间的接触。

佰超 韩
佰超 韩
2023-05-22

你好,如果进口压力比较大,使阀球一直与球腔上壁面持续接触,导致不收敛,应该怎么解决

雨昂 殷
雨昂 殷
2023-06-27

您好,阀口处的气穴现象仿真用comsol有可能实现吗?

Yi Li
Yi Li
2023-07-18 COMSOL 员工

理论上是可以的,但也需要根据您的具体仿真需求和模型才能确定,COMSOL中可以进行分离型(追踪相界面)和分散型(不追踪相界面)两相流的模拟,具体可参考:https://cn.comsol.com/blogs/modeling-and-simulation-of-multiphase-flow-in-comsol-part-1/
目前案例库中有轴颈轴承的空穴效应,供您参考:https://cn.comsol.com/model/journal-bearing-with-cavitation-19717

浏览 COMSOL 博客