运用网格化对构件的运转定律数控摹拟探讨

　　1因素对阀片运动的影响是不同的。目前，已有许多学者对阀片的运动规律进行了研究，建立了阀片运动的数学模型。本文从数值模拟的角度，应用F luent的动网格技术对阀片的运动规律进行瞬态数值模拟，主要分析弹簧弹性系数、工质分子量和阀片质量对阀片开启时间、阀片*大速度和对升程限制器的碰撞等方面的影响。

　　2气阀流场数值计算模型

　　2 1控制方程

　　工质在排气和吸气时，气缸内压力与阀室内压差较小，故可按不可压缩流体处理。其三维非定常不可压缩的连续方程和N - S方程分别可表示式中u、p对应t时刻某点x i的分速度和压力流体分子量v运动粘性系数由于进排气阀的流场为中心对称的结构，故可近似把三维流场简化为二维流场，使其计算量大大下降。因此控制方程简化为不考虑体积力和外部热源的二维非定常不可压缩方程。式分别为二维流动的连续性方程和N - S方程。

　　2 2动网格计算模型

　　在F luent中，动网格可以用来模拟由于流域边界运动引起流域形状随时间变化的流动情况。F luent在各个时间步中会根据边界位置的变化自动更新网格。

　　对于通量，在任一控制体V内，其边界是运动的，式是守恒方程的通式液体分子量u液体速度矢量u s动网格的网格变形速度

　　扩散系数S

　　通量的源项V代表控制体V的边界在方程中，**项可以用一阶向后差分形式中n和n + 1代表当前和紧接下一时间步的数值。第（n + 1）步的体积V n+ 1由式计算得出。

　　3计算方法

　　使用常用的CFD模拟软件Fluent6. x进行计算。阀片运动时，承受着弹簧力、气体力、重力、气阻力、油粘着力和摩擦力等，其中弹簧力和气体力对阀片的运动影响较大，而其他力可以略去不计。根据阀片的受力情况，应用动网格函数DEFINE_CG _ MOT ION，编制UDF程序定义阀片重心的速度。

　　（ 1）采用k- % SST湍流模型。k - % SST湍流模型结合了w ilcox k- %和k- %的优势，同时对涡粘性进行限制，适合对流动减压区的计算，另外它还考虑了正交发散项，从而使方程在近壁面和远壁面都适合；（ 2）速度和压力耦合采用PISO算法， PISO算法比SIM PLE、SIMPLEC算法增加了一个修正步，对于瞬态问题， PISO算法有明显的优势；（ 3）对流项采用Qu ick格式，扩散项采用二阶精度的中心差分格式；（ 4）采用三角形网格进行网格划分，共划分了65796个网格单元，阀片处的网格形状。

　　4计算结果分析

　　以排气阀开启过程为例模拟阀片的运行规律。

　　相关参数设置为：压缩机的压缩比为4，转速为450 r/m in，连杆与曲柄半径之比4，压缩机吸气压力101325 Pa，阀片的厚度为0 2 mm.为了更好的显示在气阀开启的瞬间的情况和适应网格的更新，时间步长设置为1 10 - 6 s.分别以不同的弹簧弹性系数k、不同工质（制冷剂R717、R744）和不同阀片质量进行模拟计算。设置阀入口条件时，根据活塞的运动规律，编制入口的压力、温度边界条件的UDF函数。

　　4 1弹性系数k对阀片运行的影响

　　一般来说，弹簧的弹性系数越小，阀片到达升程限制器所用时间越短，反之则越长。取阀片质量为1 10 - 3 kg，弹簧弹性系数k分别取为6和12，工质选用制冷剂R717和R744，对阀片运动过程进行模拟计算，获得阀片运动的速度曲线，如所示。

　　对比中的a、b图可以发现：（ 1）对小分子量工质，弹簧弹性系数k的改变对阀片*大速度影响很小。对大分子量的工质，弹簧弹性系数k的改变对阀片的*大速度影响很大。

　　b中，大弹性系数的阀片*大速度相对小弹簧系数时减小35 6%.在大分子量工质时，弹性系数小的阀片与升程限制器碰撞更剧烈。

　　（ 2）阀片开启的时间随弹簧弹性系数的增大而延长，小分子量工质时，大弹性系数使阀片开启的时间比小弹性系数有所延长。但对大分子量工质，延长时间更大。而阀片到达升程限制器所用的时间越长，该过程中工质流经气阀的阻力也越大。

　　4 2不同工质对阀片运行的影响

　　通过气阀的工质质量越大，阀片所受气体力也就越大。气体力的不同必然会影响阀片的运行规律。取弹性系数k= 6，以制冷剂R717、R744分别进行数值模拟计算。获得下工质为R717和R744时的阀片速度随时间变化曲线。

　　可知工质分子量对阀片的运行规律影响很大，反映出以下特性：

　　（ 1）对小分子量工质（ R717），阀片速度随时间变化很快，对大分子量工质（R744），速度变化相对比较平缓，阀片运行更平稳。阀片从*大速度的位置开始减速到达升程限制器，这个减速过程对R717和R744所花的时间不同， R717、R744分别占开启时间的10 1%和44%， R744减速时间长明显大于R717，时间越长则阀片到达升程限制器的速度越小。

　　（ 2）不同工质时阀片运行的*大速度不同，采用R717、R744的阀片*大速度分别为2 30 m / s和1 26 m / s，前者比后者大了45 2%.采用R717时阀片开启时间较短，数值模拟的结果约比采用R744时短16 7%.但R744到达升程限制器时的速度为0 55 m /s，小于R717的速度0 96 m /s， R744造成对升程限制器的冲击更小。

　　由数值模拟的结果可知，在阀片升程允许及其他条件相同的情况下，工质分子量越小，阀片的*大速度越大。减速时间越短，阀片到达升程限制器的速度越大，与升程限制器的碰撞更剧烈。所以对分子量小的工质，阀片升程的设置尤为重要。

　　4 3阀片质量对阀片运行的影响

　　质量轻的吸排气阀，开启时间都较质量大的阀片短。这样增大了时间截面，有利于减少气阔所造成的功率损失。为了能更好的说明阀片质量对阀片运行规律的影响，本文采用了不同的阀片质量、在不同的工质下进行数值模拟。下在不同的阀片质量下的阀片速度随时间变化的曲线。

　　通过对比a、b图我们可以得出：（ 1）阀片质量增大一倍时，当采用R717比采用R744开启时间增加63 3%，说明对不同的工质阀片质量对开启时间的影响是不同的，根据数值模拟的结果来看，工质分子量越小，阀片质量对开启时间影响越大。

　　（ 2）现阀片质量增大一倍时，对于R717到达升程限制器的阀片速度相差不大，而R744随着阀片质量的增加，阀片到达升程限制器速度反而增大，计算结果增大了25 5%.说明阀片质量对于阀片到达升程限制器的速度的影响对不同的工质是不同的，从我们数值计算的结果来看，工质的分子量越大，对阀片到达升程限制器速度的影响也越大。所以对阀片材料的选择应充分考虑工质分子量对阀片运行的影响。

　　5结论

　　通过数值模拟，从上面的分析，我们可得出如下结论：

　　5 1对阀片*大速度的影响

　　工质相同，弹簧弹性系数越大，阀片*大速度越小；弹簧弹性系数相同，工质分子量越小，阀片*大速度越大；随着阀片质量增大，阀片*大速度减小，当采用分子量较大的工质时，*大速度的减小幅度较小。

　　5 2对阀片开启时间的影响

　　工质相同，弹簧弹性系数越小，阀片开启时间越短，随着弹性系数的减小，工质分子量越大，阀片开启时间减小的幅度越大；阀片质量增大，阀片开启时间增加，分子量大的工质，开启时间变化的增加较小。

　　5 3对阀片与升程限制器碰撞的影响

　　工质相同，弹簧弹性系数越小，阀片到达升程限制器的速度越大，造成对升程限制器的碰撞越大；而阀片对升程限制器的碰撞与工质的分子量密切相关，随着弹性系数的减小，工质分子量越大，造成对升程限制器的碰撞越小。

　　通过数值模拟这种方法，可以对阀片在瞬时的速度都有个清晰的认识，可帮助我们对各种错综复杂的因素进行综合分析，对工程设计人员有一定的借鉴意义，可缩短气阀设计周期和降低设计费用。