1.一种用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,具体实施步骤如下:S1、建立流体阀门的三维几何模型,利用实体间布尔运算提取流体阀门的流体域;
S2、分别对流体阀门的三维几何模型和流体域进行网格划分;
S3、构建流体阀门的热流固耦合计算模型,并对流体阀门及流体阀门内的流体域的温度场和流体场进行数值模拟计算:S31、根据流体阀门传热传质过程中的基本定律,建立流体阀门及流体阀门内的流体域的基本控制方程;
在所述基本定律中,流体阀门内各网格单元内流体质量的增加,等于同一时间间隔内流入网格单元内流体的净质量,建立流体阀门的质量守恒方程,具体表达式为:其中,为导数符号,u、v和w分别为速度矢量在流体阀门坐标系中三个坐标x、y、z方向上的分量,t为时间,ρ为流体阀门内的流体密度;
根据流体阀门内各网格单元内能量的增加率等于进入网格单元的净热流量加上体力与面力对网格单元所做的功,建立流体阀门的能量守恒方程,具体表达式为:其中,为导数符号,ρ为流体阀门内的流体密度,矢量符号
u为速度矢量,λ为传热系数,Cp为比热容,
T为温度,ST为粘性耗散项,Φ为耗散系数;
根据流体阀门中各网格单元的动量对时间的变化率等于外界作用在该网格单元上的各种力之和,可压缩流体的密度随时间改变而发生变化,建立流体阀门的可压缩流体Navier‑Stokes方程,具体表达式为:其中,为导数符号,μ为流体阀门内流体的动力粘度,p为流体阀门内流体的压力,ρ为流体阀门内的流体密度,Su、Sv和Sw分别为动量方程的广义源项,矢量符号S32、根据流体阀门中流体的可压缩性、高速流动和旋涡流动特性,建立流体阀门的RNG k‑ε湍流模型;
所述RNG k‑ε湍流模型中湍流动能k方程与能量耗散率ε方程的具体表达式为:其中,为导数符号,xi和xj为流体阀门流体域的空间坐标,ui为速度矢量,ρ为流体阀门内的流体密度,μeff为有效粘度,Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能,Gb为由浮力产生的紊流动能,Ym为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献,αk和αε分别为方程k和ε有效普朗克数的倒数,Sk和Sε为用户定义的源项,C1ε、C2ε、C3ε和Cμ为方程常数系数;
S33、由于流体阀门的热流固耦合计算模型在流固交界面产生热量和力的传递,流体阀门流体域和流体阀门固体域需满足应力、位移、热流量和温度的守恒,所述守恒的具体表达式为:其中,下标f和s分别表示为流体阀门流体域和流体阀门固体域,τ表示为应力,n为法线方向矢量,d表示为位移,q表示为热流量,T表示为温度;
S34、给定流体阀门的热流固耦合计算模型的边界条件,并对模型进行初始化,通过迭代计算,得到流体阀门固体域的固体场、流体阀门流体域的流体场和温度场的状态及分布结果;
S4、根据步骤S3得到流体阀门的温度场及流体场的数值模拟结果,并对不同网格数量下温度场及流体场结果进行分析,在网格数量相差3倍以上的情况下,若分析结果误差大于或者等于5%,则返回执行步骤S2和步骤S3;若分析结果误差小于5%,则进行步骤S5;
S5、分别从结构变形、颗粒运动特性和流体场特性对流体阀门进行卡滞特性分析,并对流体阀门的结构进行优化。
2.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,所述边界条件,其包括流体阀门的进出口边界条件、流体阀门的传热系数和流体阀门的壁面条件。
3.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,在步骤S5中,所述结构变形分析的具体操作步骤如下:S511、根据流体阀门所处的高温高压工况,从步骤S3得到的数值模拟结果中提取流体阀门固体场的温度载荷及流固交界面处的压力载荷;
S512、将流体阀门固体场的温度载荷加载到流体阀门固体域对应的结构上,将流固交界面处的压力载荷加载到流体阀门的流固交界面上,并对流体阀门进行多场耦合作用下的结构变形进行分析;
S513、从步骤S512中提取流体阀门的结构变形、运动副间隙变化尺寸和壁面接触应力,得到形变阻力矩;
S514、在步骤S513的基础上,对不同数量的网格进行多场耦合作用下的结构变形分析,在网格数量相差3倍以上的情况下,若分析结果误差小于5%,则进行步骤S52;若分析结果误差大于或者等于5%,则重新进行步骤S511、步骤S512和步骤S513。
4.根据权利要求3所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,在步骤S512中,所述结构变形,其包括流体阀门的受力变形和流体阀门的热变形;
所述流体阀门的受力变形的表达式为:
[K]×{δ}={F}
其中,[K]为流体阀门固体域系统的刚度矩阵,{δ}为流体阀门固体域系统的节点位移矩阵,{F}为流体阀门固体域系统的受力矩阵;
所述流体阀门的热变形的表达式为:
其中,fT为结构变形,αT为流体阀门的热膨胀系数, 为温度差。
5.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,在步骤S5中,所述颗粒运动特性分析的具体操作步骤如下:S521、从步骤S3得到的数值模拟结果中提取流体阀门流体场的进口参数,所述进口参数,其包括流体阀门的进口平均速度和流体阀门的进口质量流量;
S522、根据颗粒含量和步骤S521提取的进口参数注入颗粒,采用基于欧拉‑拉格朗日参考系的CFD‑DPM双向耦合方法计算颗粒在流体场中的运动特性;
S523、根据流体场中连续相流场的迭代步,对每个颗粒进行轨迹计算,得到流体场中颗粒相在连续相中的轨迹,并统计流体场出口流出的颗粒数量和进入运动副间隙的颗粒数量,计算颗粒对运动副间隙的侵入速率,计算运动副间隙不同时间下颗粒堆积量变化曲线;
S524、将不同堆积量颗粒注入流体阀门的运动副间隙,得到流体阀门的颗粒卡滞力矩。
6.根据权利要求5所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,在步骤S522中,根据颗粒上的力平衡来计算颗粒在流体阀门流体场中的运动特性,所述颗粒上的力平衡方程的具体表达式为:其中,mp为颗粒质量, 为流体相速度, 为颗粒速度, 为重力加速度矢量,ρ为流体阀门内的流体密度,ρp为颗粒的密度,为附加力,τr为颗粒弛豫时间;
其中,μ是流体阀门内流体的动力粘度,dp是颗粒直径,Re是相对雷诺数,Cd为颗粒阻力系数,ρp为颗粒的密度。
7.根据权利要求1所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,在步骤S5中,流场特性分析的具体操作步骤如下:S531、从步骤S3得到的数值模拟结果得到流体阀门的阀芯表面在流场中受到流体压力,从而得到流体阀门的流场力矩;
S532、从步骤S531中提取流体阀门在不同工况及不同开度下所受流体场的力矩,得到流场阻力矩变化曲线。
8.根据权利要求7所述的用于分析流体阀门卡滞特性的方法,其特征在于,在步骤S531中,所述流体阀门的流场力矩的具体表达式为:其中,∫为积分符号,S包括所有旋转部件的表面, 总应力张量,垂直于曲面的单位向量,位置矢量,平行于旋转轴的单位矢量。