文/左永刚 张锐征 张镇 肖杰 杨静 杜力

本文介绍自力式混油切割装置及其核心部件密度控制导阀，对密度控制导阀局部流场的数值模拟与动力学分析可以为后续参数优化设置提供依据。通过FLUENT软件模拟浮子腔体内部流场，利用出口油品密度变化速度表征浮子腔体内部油品置换速度，并验证其可行性，入口处流速越快，内部油品置换速度就越快。通过ADAMS软件对简化后的模型进行动力学分析，通过观察导阀芯位移速度及稳定性判断弹簧参数设置的优劣，结果表明使用刚度系数k=0.17N/mm，阻尼系数为c=5Ns/m的弹簧时，密度控制导阀在密度检测过程中更加迅速稳定。

1.引言

国内外成品油固定管线系统在进行顺序输送的过程中均采用自动检测-自动控制-动力执行的自动化系统实现对混油的切割[1]，但在抢险救灾、军事行动等环境恶劣、情况多变、供能困难的条件下，采用纯机械结构的自力式混油自动切割装置可以较好实现对混油的切割。英国Avery Hardoll公司生产的油料密度敏感型通断控制阀主要用于防止油料进错油罐造成混油事故，本文基于该控制阀的基本原理，针对其优缺点进行借鉴与改进，设计了自力式混油切割装置，主要由密度控制导阀与受控主阀组成，其结构示意图如图1所示。

图1 自力式混油自动切割装置的结构示意图

在自力式混油切割装置工作过程中，密度控制导阀通过滑阀结构所处位置决定控制管路通断，受控主阀通过阀芯移动控制主管路通断。当导阀阀芯处于范围Ⅰ时，控制管路P1A1接通，P2A2关闭时，A管轻油阀芯由于前后受力均衡，会开启A通路；B管重油阀芯前压力大于阀芯后的压力，该阀芯会向前移动，堵塞B通路。自力式混油自动切割装置对混油的检测是影响混油切割的关键因素，该过程主要依靠密度控制导阀完成，密度控制导阀结构如图2所示。目前对导阀内部流场及运动情况尚不清楚，部分结构的设计与参数设置没有具体依据，因此本文采用FLUENT软件对密度控制导阀的局部流场进行数值模拟，采用ADAMS软件对其进行动力学分析，为结构优化设计提供具体依据。

图2 密度控制导阀结构示意图

2.浮子腔体内部流场的研究

浮子腔体作为检测油品密度的核心部件，其内部流场情况直接影响到检测精度与检测速度，从而影响最终混油切割效果，本文主要通过FLUENT软件研究其油品置换速度与油品密度等特征的变化情况，以此标准评价其检测速度[2]。

2.1.模型建立与边界条件设置。本文主要研究浮子腔体内部流场，因此在进行建模的过程中对其他因素如排气阀等结构进行了简化，用于流场数值模拟的三维模型如图3所示。

图3 浮子腔体三维模型图

对浮子腔体三维模型的计算区域使用四面体网格进行网格划分[3]，划分结果如图4所示，通过MESH软件进行网格划分共得到198464个网格，908098个节点。网格最大表面积为66.24509mm2，最大体积为3.537230×102mm3；最小表面积为1.074361×10-2mm2，最小体积为3.036842×10--3mm3。

图4 网格划分结果

浮子腔体内的流场模拟采用汽油和汽柴混油（体积分数95%汽油与体积分数5%的柴油相混，以下简称95%汽柴混油）作为输送油品，如图5所示，设置一个速度入口边界和一个出流边界，入口处流速设为0.4m/s、3m/s，多相流混合物模型采用MIXTURE模型，湍流模型采用标准模型，壁面采用标准固壁无滑移边界条件[4]，取重力加速度为9.81 m/s-2，方向设置为-x方向，求解方法设置为SIMPLEC算法[5-9]。通过初始化设置浮子腔体在初始状态时内部充满汽油，开始计算后95%汽柴混油从入口处以0.4m/s的速度流入，通过控制时间来模拟输送过程，时间步长为0.1s，时步数量为4000。

图5 模型边界条件

2.2.结果与分析

评价浮子腔体的工作效能因素主要有浮子腔体内油品置换速度与油品密度等特征。本文通过FLUENT软件监视浮子腔体出口处的油品密度来表征油品置换速度，初始状态时浮子腔体内汽油密度为720kg/m3，入口处95%汽柴混油的密度为725.5kg/m3。当入口处流速为0.4m/s时，浮子腔体出口处的油品密度随时间的变化曲线如图6所示。在混油段进入浮子腔体的前100s内，出口处油品密度明显上升，随后上升趋势减缓，在225s时趋于稳定，最终在275s时稳定在725.5kg/m3。

图6 浮子腔体出口处油品密度变化情况（入口流速0.4m/s时）

取浮子腔体内部的三个不同截面，绘制出其密度云图如图7所示，通过该密度云图可以看出，在计算结束时，浮子腔体内部油品已均匀分布。利用CFD-POST后处理软件对浮子腔体内部三个不同截面的密度进行面积分处理，经计算得到其平均密度为725.477kg/m3，略低于进口处油品密度725.5kg/m3，这主要是因为浮子腔体内部仍然存在角落部位，油品流速极低，油品的置换主要依靠混油界面处的分子扩散运动，置换速度远低于其他区域。

图7 浮子腔体内部三个截面的密度云图（入口流速0.4m/s时）

图8 浮子腔体出口处油品密度变化情况（入口流速3m/s时）

图9 浮子腔体内部三个截面的密度云图（入口流速3m/s时）

当入口处流速为3m/s时，浮子腔体出口处的油品密度随时间的变化曲线如图8所示。通过对比图6和图8可以发现入口处流速变大时，出口处油品密度上升速度明显加快，在55s时已稳定在725.5kg/m3。此时其密度云图如图10所示，可以看出此时浮子腔体内部油品已均匀分布。

在两种不同入口流速情况下，当出口处流出油品密度稳定时，通过浮子腔体内部三个不同界面可以观察到此时油品密度已均匀分布，说明通过出口处流出油品密度判断浮子腔体的油品置换速度是可行的，且入口处流速越快，油品置换速度越快。

3.动力学模拟及弹簧优化设置

弹簧在密度控制导阀检测油品密度的过程中起着重要作用，并且直接影响导阀检测油品密度的准确性和效率，因此其参数设置显得尤为重要。本文运用ADAMS软件模拟浮子腔体内部油品由纯汽油变化为95%汽柴混油（体积分数95%汽油与体积分数5%的柴油相混）的过程，通过导阀芯的位置变化情况对比弹簧工作效率。

3.1.建立简化模型并施加约束

前期设计的密度控制导阀由56个零件组成，如果将整个装置直接导入ADAMS中，设置零件的约束运动将变得十分麻烦，且增加了模拟计算的难度。为了节约计算时间，又能达到预期研究的结果，就需要在能够清楚正确地表示零件运动状态的情况下，对模型进行简化[10]。

由于浮子腔体及其他螺柱、刻度套和垫片等零件不影响核心零件的力学模拟，因此可以简化。当浮球与导阀阀芯采用直连方式而不通过连杆机构连接时，浮球所受浮力将直接传导在钢球上，再通过钢球传导至导阀阀芯，其力的大小和方向均相同，因此浮球也可以简化。简化后的结构模型如图10所示。

图10 密度控制导阀的简化计算模型

根据密度控制导阀在实际工作过程中各部件间的关系，对其运动学仿真模型施加约束，密度控制导阀动力学模型各部件间拓扑关系如图11所示。导阀体始终保持位置不变，不参与运动，当密度控制导阀的手柄设定好密度后，顶杆也被固定在指定位置，在导阀体与顶杆间施加固定副，并将其固定于Ground上。左侧钢球受到浮球传导过来的浮力，并继续传导至导阀芯，同时，导阀芯还受到右侧弹簧施加的弹力，以及相关各零部件的重力。钢珠和导阀芯在受到浮力、重力和弹力作用下从不平衡状态运动至平衡状态，该过程仅有轴向运动，因此对钢球与导阀芯施加固定副，然后对其与导阀体施加平移驱动副。弹簧导入为柔性体，粗设其刚度系数k=0.17 N/mm，阻尼系数阻尼系数为c=0.17Ns/m[11]。

图11 密度控制导阀动力学模型各部件间拓扑关系

3.2.结果与分析

当浮子腔体内部充满纯汽油且导阀芯运动至平衡位置时，记该平衡位置为Ⅰ，此时钢球和导阀芯所受浮力为：F浮720=1.2722N。

当浮子腔体内部油品由纯汽油置换为95%汽柴混油时，活动零部件的重力G保持不变，弹力和浮力发生改变，导阀芯在3个力的作用下运动至新的平衡位置Ⅱ，此时钢球和导阀芯所受浮力为：F浮725.5=1.2820N。

当导阀芯位于平衡位置Ⅰ时，导阀芯处于静止状态，左右受力平衡。当浮子腔体内部油品密度变化，导阀芯从平衡位置Ⅰ位移至平衡位置Ⅱ时，设置钢球和导阀芯所受浮力为1.2820N，对此过程中导阀芯的位置变化情况模拟如图12所示。

通过图12可以发现，导阀芯从平衡位置Ⅰ位移至平衡位置Ⅱ，从0.01126m处位移至0.01131m处，位移距离为0.05mm，该过程持续了0.7s，但是大部分时间在平衡位置附近反复波动。

图12 位移至平衡状态Ⅱ时导阀芯位置变化曲线（c=0.17Ns/m）

保持刚度系数不变，更改阻尼系数c=50Ns/m，对此过程中导阀芯的位置变化情况模拟如图13所示。

图13 位移至平衡状态Ⅱ时导阀芯位置变化曲线（c=50Ns/m）

更改阻尼系数以后，导阀芯在到达新的平衡位置时没有波动，位移距离不变，但持续时间增长至2s。保持刚度系数不变，继续更改阻尼系数c=5Ns/m，对此过程中导阀芯的位置变化情况模拟如图14所示。

从图14可以看出，当阻尼系数为c=5Ns/m时，导阀芯在运动至新的平衡位置过程中波动极小，且整个过程持续时间不到0.3s，此时密度控制导阀对浮子腔体内部油品密度检测更加灵敏，因此应设定弹簧刚度系数k=0.17N/mm，阻尼系数为c=5Ns/m。

图14 位移至平衡状态Ⅱ时导阀芯位置变化曲线（c=50Ns/m）

4.结论

（1）在两种不同入口流速情况下，当出口处流出油品密度稳定时，通过浮子腔体内部三个不同界面可以观察到此时油品密度已均匀分布，说明通过出口处流出油品密度判断浮子腔体的油品置换速度是可行的。

（2）通过运用FLUENT软件对两种不同入口流速情况下浮子腔体内部流场进行模拟，结果表明：密度控制导阀入口处流速越快，浮子腔体内部油品置换速度也越快。

基于密度控制导阀各零部件在实际工作中的相互关系对其结构进行简化，运用ADAMS软件对其进行运动学模拟，观察导阀芯运动情况，结果表明：当弹簧刚度系数k=0.17N/mm，阻尼系数为c=5Ns/m时，导阀芯运动更加稳定、迅速，此时密度控制导阀对油品密度的检测更加灵敏。

引用出处

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