核阀流体动力学及流固耦合特性数值模拟

以研究高压核电闸阀内流场特性及流固耦合问题为目的,分别建立了稳态、瞬态流体动力学模型和流固耦合作用下的结构动力学模型。通过分析模拟过程中流体的压力和速度分布可知,在稳态和瞬态流动状态下,流体在流经阀体中腔部位时均会产生压力波动,并在底部形成涡流。在流固耦合作用下闸阀的静力学结构变形和应力分布满足刚度和强度要求。然而,在流固耦合作用下,闸阀的动力学结构变形和应力较大,并在阀体与导轨部位产生局部应力集中。可通过加大应力集中部位的圆角以减小应力集中的程度。     

某型号立式加工中心主轴冷却器系统热流固耦合热态特性分析

主轴热变形是影响数控机床加工精度的关键因素，识别主轴系统的热态特性，进而控制主轴热变形是提高机床整机精度的重要任务。文中以某企业实际生产的立式加工中心主轴系统为研究对象，建立其主轴冷却器系统的三维模型；利用ANSYS Module Designer生成流域的三维模型，再利用Mechanical对冷却器和流域进行单元划分，形成流场有限元模型，通过流场分析获得流体的温度分布、速度变化、压力变化及冷却器的温度分布；通过稳态热分析，求解得到分析模型的温度分布；将流场分析得到的流体边界面的压力载荷和稳态热分析得到的温度载荷数据传递给静力结构分析模型，求解得到其应力分布及热变形。分析结果可为主轴冷却器系统结构的进一步优化设计和控制主轴热变形提供技术支持。     

热弹变形对核主泵用流体静压型机械密封性能的影响

针对核主泵用流体静压型机械密封在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,通过建立收敛台阶端面流体静压型机械密封的稳态传热模型,并考虑流体粘度随压力、温度的变化,建立端面流体膜压力和密封环温度的控制方程,采用有限差分法求解各控制方程,采用有限元法求解密封环热、弹变形,对密封进行流、固、热耦合分析,研究热弹变形对密封性能的影响;同时改变操作参数,研究端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等随之产生的变化规律.结果表明,端面的弹性变形大于热变形;热弹变形的综合影响使端面由外径向内径形成收敛间隙,导致开启力、泄漏率和液膜刚度增加;动环角速度越高,流体温升越大,端面热变形越明显,泄漏率越大;流体注入温度越低,温粘效应越显著;流体注入压力越高,热弹变形量越大,密封端面平衡间隙亦越大.     

热固耦合下三螺杆泵转子的结构特性研究

三螺杆泵在工作中产生的高温流体会导致螺杆转子产生形变,针对这一问题,对不同工况下螺杆转子的变形和应力进行了研究。基于有限体积法数值求解了N-S方程,得到了螺杆泵的温度场,通过对比模拟数据与实验数据确保了流场求解的准确性;采用了CFD/CSD耦合求解技术,将温度场数值插值到转子的结构网格上,以作为转子热分析的外载荷,进而通过求解螺杆转子结构的静平衡方程得到了转子的位移场和应力场;最后分析了螺杆泵产生的温度场对螺杆转子变形和应力的影响规律。研究结果表明:螺杆泵出口位置温度较大,进口位置温度较低;随出口压力的增大,主从螺杆转子的最大变形和最大应力都逐渐增大;从螺杆泵的进口到出口,随着转子轴向长度的增加,主从动转子的变形逐渐增大。     

基于流固热耦合的负载敏感多路阀仿真研究

由于多路阀内部流量大、压力高,且流道结构复杂、节流温升大,会造成阀芯发生变形而引起卡滞现象,为此,对多路阀进行了流固热耦合数值模拟仿真研究。首先,利用AMESim和UG软件对负载敏感多路阀进行了建模;然后,利用ICEM对流体域及固体域进行了网格划分;最后,采用ANSYS Workbench平台,在不同工况下对多路阀进行了流固热耦合数值模拟仿真,分析了不同工况下多路阀流场内流体速度、压力分布、节流温升、气穴气蚀以及阀芯变形的情况。研究结果表明:阀芯与油液接触的区域温度受影响较大,而远离油液的区域阀芯温度变化不明显,在油液温度影响下,阀芯上节流槽区域发生膨胀变形,说明节流温升对阀芯的影响主要集中在节流槽附近区域;当主阀口开口度较大,压力补偿器开度较小时,阀内易出现气穴,产生气蚀现象,节流槽处温升非常明显,阀芯变形量较大,容易引起卡滞现象;该研究结论可为多路阀阀芯的结构设计提供理论支撑。     

核主泵用流体静压型机械密封流固热耦合变形分析

核主泵泄漏量的大小受密封间隙影响,密封间隙形状与密封压力分布、热变形紧密相关。基于流体力学和传热学的基本原理,建立核主泵机械密封流固热耦合变形分析模型;通过分析接触状态,确定动、静环的边界约束条件。利用ANSYS软件对机械密封副的端面流场、流固热耦合热变形进行模拟分析。仿真结果表明：密封环内径与转折半径间的压力近似呈线性分布,而转折处与液膜外径之间的压力呈抛物线分布;动、静环应力分呈环形分布,最大应力处于静环上端面外径处;最高温度都出现在密封环靠近内径处,且动环温度高于静环。     

基于摩擦配副变形的轴向柱塞泵配流副流固热耦合影响因素分析

通过考虑轴向柱塞泵配流盘摩擦配副的缸体和配流盘耦合变形,建立了配流副的热流固多场耦合仿真分析模型。用有限元法求解模型中的柱塞流道压力场和温度场以及配副耦合热变形,其结果能够可视化地实时观测在整泵运动过程中两配副表面不同的温度和变形动态分布过程,从而揭示出多因素对其表面油液润滑特性的影响规律,并指出各因素的影响的权重。结果表明：配流副油液的压力和温度与配副两表面的热弹性变形量的具有耦合交互影响,在轴向柱塞泵的配流副高压压油区,由于压力较大,此区域结构变形和温度分布较大。不同工况条件下,压力和转速的提高,会导致结构的应力变形和温度分布成正相比。压力对变形和温度的影响权重均大于60%,明显大于速度的影响,压力对其起着决定性作用。     

基于ANSYS Workbench的盘式制动器热-机耦合分析

为进一步研究盘式制动器在制动过程中的行为,在建立盘式制动器热-机耦合简化计算模型的基础上,考虑温度变化对材料物理性能和摩擦因数的影响,运用ANSYS Workbench模拟分析不同制动初速度与不同制动压力下制动盘的热-机耦合特性,并从制动盘径向、周向、轴向等维度对其温度场与应力场进行了研究。结果表明：盘式制动器在紧急制动过程中,温度和应力的最大值与制动初速度和制动压力成正相关;制动初速度和制动压力对制动盘温度场和应力场有较大的影响,其中制动压力对制动盘温度和应力最大值的影响比制动初速度更加明显;制动盘温度与等效应力在圆周上都呈环带状分布,二者具有一致性,制动盘达到温度最大值早于达到应力最大值,二者之间具有耦合特性;制动盘温度在径向和轴向上存在较大的温度梯度,从而引起较大的应力变化。研究结果为探索制动盘温度场、应力场分布规律和制动盘在不同工作状态下的热-机耦合特性提供了参考。     

考虑弹性变形和黏压黏温效应的推力滑动轴承润滑性能有限元分析

应用COMSOL Multiphysics对考虑弹性变形和黏压黏温效应的推力滑动轴承建立有限元模型,并进行数值仿真模拟。结果表明:初始入油温度的增大使润滑油黏度迅速下降,但对油膜压力影响很小;载荷的增大使油膜压力增大明显,油膜压力峰值向出口区移动,在轴瓦上产生较大变形;转动速度的增大使油膜厚度增加,有利于产生流体动压,但摩擦功率损失很大;存在使油膜压力峰值最小,且压力分布均匀的最佳倾斜角。     

基于热分析的双螺杆压缩机转子的应力疲劳研究

由于双螺杆压缩机工作过程中产生的温度场导致转子产生热变形和热应力,容易引起转子发生疲劳破坏,因此分析温度载荷作用下螺杆转子的应力疲劳具有重要意义.基于有限体积法数值模拟压缩机工作过程中的温度场,利用GGI(General Grid Interface)插值技术将温度载荷传递到转子结构网格上,建立了基于松耦合的热固单向耦合模拟方法,并利用"L型大直径掩埋管道"对该方法的准确性进行验证.通过求解转子结构的静平衡方程,研究温度载荷作用下转子的变形、应力分布规律,最后通过修正后的应力疲劳S-N曲线对转子进行疲劳寿命分析.研究结果表明:螺杆转子最大变形发生在阳转子与电机相连接的一端,阴转子的齿顶和阳转子的齿根产生较大的应力集中,且随温度的升高,螺杆转子的使用寿命逐渐降低.该方法可为压缩机的设计研究和优化升级提供参考.     

基于热流固耦合的多级降压阀构件变形分析

提出一种多孔型多级降压调节阀,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对调节阀的内部流场、压力场进行数值仿真分析,得到该阀的流量特性曲线,通过与标准流量特性对比,可以优化节流孔的配置;同时,仿真得出阀内流场压力分布,证明其降压元件具有良好的降压效果,针对在高温、高压工况下,阀内件的变形规律进行分析,仿真得到阀内件在热流固耦合条件下的变形值,且得到各物理场对阀内件变形的影响程度;仿真得到在热流固耦合条件下,阀塞和套筒配合面间变形后间隙,精准判定阀的工作可靠性,为设计该类调节阀的内套筒与阀塞尺寸公差提供技术支持。     

液压滑阀内部温度特性的研究

在中、高压系统中,由于节流作用,油液流过滑阀的阀口时会发热使得油液温度升高,影响油液及系统的性能。针对油液流经节流口发热这一现象,进行了理论分析,并利用NHT(Numerical Heat Transfer,数值传热学)方法对滑阀内部的温度场和流场进行了三维数值模拟,对不同入口压力和阀口开度的滑阀温度场进行了解析。数值计算结果表明：油液流过节流口时温度升高主要源于黏性力做功导致的黏性耗散,且黏性耗散主要发生于阀口后方速度变化率非常大的涡旋区,并得出了工作压力和不同阀口开度对阀腔内温度场的影响,为滑阀设计提供了理论参考。     

双U形节流槽滑阀多场耦合特性研究

压滑阀在工作过程中阀芯卡滞及磨损现象严重,为了改善阀腔流域特性及液压阀的工作性能,构建了液压滑阀的简化模型,基于计算流体力学对双U形节流槽滑阀阀芯及阀腔内流域动态特性进行了分析。研究了节流槽数量、阀口压差对阀腔内流体速度场、阀芯温度场及阀芯应变场动态特性的影响。研究结果表明,随着阀口压差的增加,流体的最大流速以及阀芯的最高温度和最大变形增大;随节流槽数量的增加,阀芯的最大变形增大,流体流速及阀芯最大温度变化微弱。该研究为阀芯优化设计提供了参考。     

Numerical analysis for the structural strength comparison of St. Jude Medical and Edwards MIRA bileaflet mechanical heart valve prostheses

This paper presents a numerical analysis for the structural strength comparison of the St. Jude Medical bileaflet mechanical heart valve prosthesis with flat leaflet and the Edwards MIRA bileaflet mechanical heart valve prosthesis with curved leaflet. Computer aided engineering systems are used in the analysis. The blood fluid pressure is applied to both flat and curved leaflets of the bileaflet mechanical heart valve prostheses for the rigid body dynamic analysis to confirm the almost same dynamic characteristics of both flat and curved leaflet motions. Thereafter, using the same blood fluid pressure and dynamic characteristics of leaflet motions, structural mechanic analyses for both flat and curved leaflets of the mechanical heart valve prostheses are carried out to show quite different stress and deformation results, respectively. Conclusively, from the viewpoint of stress, it is revealed that the St. Jude Medical bileaflet mechanical heart valve prosthesis is structurally stronger and better than the Edwards MIRA bileaflet mechanical heart valve prosthesis. Computer aided engineering systems used in this comparative structural analysis are ADAMS for the rigid body dynamic analysis, and NISA for the structural mechanic analysis.     

夹套对流传热分析设计

建立了整体夹套结构的计算流体力学、计算传热学和有限元分析模型 ,利用SIMPLE算法和有限单元法分别进行了流体 /结构耦合传热、应力计算和详细的传热分析设计 ,为类似工程复杂结构的分析设计提供了一种先进可靠的手段     

考虑热效应影响的液黏调速离合器流体剪切转矩预测研究

为了更准确地对液黏调速离合器流体剪切转矩进行预测,以液黏调速离合器摩擦副间的流体为研究对象,建立了考虑热效应影响的三维CFD模型,并考虑了黏温特性的影响,应用计算流体力学软件CFD ACE+对流场进行求解,得到了摩擦副间流体的压力和温度分布以及流体剪切转矩的数值解;通过实验研究对比分析了不同转速和油膜厚度下的流体剪切转矩。结果表明：影响温度分布的主要因素是流体剪切线速度;热效应对摩擦副间流体的压力分布有较小的影响;由于流体温度对黏度的影响,流体剪切转矩随着转速差的增加而缓慢增大。因此,通过与实验数据对比分析,考虑热效应影响的三维CFD模型能够更为准确地对转矩进行预测。     

罐车液相法兰密封性能影响因素研究

以某液氨运输罐车为研究对象,分析罐车液相法兰密封性能的影响因素,指出垫片失效变形、介质内压载荷变化和环境温度变化是影响法兰密封系统的主要因素。建立液相法兰的有限元模型,分析预紧工况下垫片的失效变形、内压载荷和环境温度对螺栓法兰接头密封性能的影响。模拟结果表明：液相法兰紧急切断阀阀根的内芯平面与法兰盘密封垫片之间存在凹陷区域,造成垫片的密封面积减少20.9%,降低法兰接头的密封性能;介质内压载荷的波动对系统密封性能影响很小;温度变化对残余压应力值的影响较大,决定密封条件的最小压力值随温度降低而降低,从而影响法兰的密封性能。     

Numerical calculation of thermal effect on cavitation in cryogenic fluids

A key design issue related to the turbopump of the rocket engine is that cavitation occurs in cryogenic fluids when the fluid pressure is lower than the vapor pressure at a local thermodynamic state. Cavitation in cryogenic fluids generates substantial thermal effects and strong variations in fluid properties, which in turn alter the cavity characteristics. To date, fewer investigate the thermal effect on cavitation in cryogenic fluids clearly by the numerical methods due to the difficulty of the heat transfer in the phase change process. In order to study the thermal effect on cavitation in cryogenic fluid, computations are conducted around a 2D quarter caliber hydrofoil in liquid nitrogen and hydrogen respectively by implementing modified Merkle cavitation model, which accounts for the energy balance and variable thermodynamic properties of the fluid. The numerical results show that with the thermal effect, the vapour content in constant location decreases, the cavity becomes more porous and the interface becomes less distinct which shows increased spreading while getting shorter in length. In the cavity region, the temperature around the cavity depresses due to absorb the evaporation latent heat and the saturation pressure drops. When the vapour volume fraction is higher, the temperature depression and pressure depression becomes larger. It is also observed that a slight temperature rise is found above the reference fluid temperature at the cavity rear end attributed to the release of latent heat during the condensation process. When the fluid is operating close to its critical temperature, thermal effects on cavitation are more obviously in both the liquid nitrogen and hydrogen. The thermal effect on cavitation in liquid hydrogen is more distinctly compared with that in liquid nitrogen due to the density ratio, vapour pressure and other variable properties of the fluid. The investigation provides aid for the design of the cryogenic pump of the liquid rocket.     

基于流固热耦合的浮环密封力学特性数值研究

考虑温度的影响,建立浮环密封力学特性流固热耦合数值求解模型,在验证计算方法准确性的基础上,研究浮环密封的流场特性,以及石墨烯、石墨、铝合金以及碳化硅4种材料的浮环密封在不同进口压力、温度时的力学特性。结果表明：浮环密封在偏心时,由于楔形间隙的存在,气流经过这种结构产生流体动压效应,在较薄的流体域一侧形成局部高压区,较厚的一侧压力无明显变化,而温度沿轴向方向逐级升高,且偏心率越大,偏心位置的温度越大;浮环密封流体域温度随着进口压力的升高而降低,因温度影响材料的属性,使得不同材料的浮环密封结构对温度会很敏感;不同材料浮环密封的变形量随进口压力的增加而减小,应变也随着进口压力的增加而减小;4种材料浮环密封的变形量与应力均随着进口温度的增加而增大。     

双螺杆转子结构特性流固耦合数值模拟

以双螺杆转子为研究对象,依据流固耦合理论,通过求解捏合机内部流体和双螺杆转子固体耦合方程,研究不同工况下的流体压力和扭矩对双螺杆转子应力和变形的影响规律。分析计算结果表明:螺杆转子的变形和应力主要是不同工况下的扭矩、流体压力载荷及耦合场作用引起的;螺杆间隙对捏合机的生产效率和质量有很大影响,阴阳螺杆转子最大变形量是设计最佳螺杆间隙的关键因素;一定功率下,转子的最大变形量和最大应力值分别与转子扭矩、流体压力的大小正相关;一定转速下,转子的最大变形量和最大应力值与捏合机功率正相关。研究结果为新型双螺杆捏合机的合理设计与性能预测提供了理论依据。