超高壓氣動(dòng)吹除閥建模

超高壓氣動(dòng)吹除閥建模

0高壓氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，低壓氣動(dòng)器（1.0ma）的設(shè)計(jì)相對(duì)成熟，但低壓氣動(dòng)器的研究和應(yīng)用相對(duì)較少。隨著各個(gè)行業(yè)特別是國(guó)防工業(yè)對(duì)高壓氣動(dòng)系統(tǒng)的要求不斷增加,高壓氣動(dòng)技術(shù)越來(lái)越受到重視。高壓氣體以其功率密度高、瞬間膨脹性大、爆發(fā)力強(qiáng)、溫度適應(yīng)范圍廣等特性在航空航天、深海技術(shù)和武器裝備中得到了廣泛的應(yīng)用,高壓氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用研究已成為氣動(dòng)領(lǐng)域新的關(guān)注點(diǎn)。由于高壓氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓氣動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域方面的研究少有報(bào)道。目前,對(duì)高壓氣動(dòng)元件進(jìn)行的研究工作主要集中在高壓氣動(dòng)減壓閥方面,對(duì)于超高壓氣動(dòng)吹除閥的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。在某水下控制裝置中,為了保證特定情況下水下航行器的穩(wěn)定,要求吹除閥可以在惡劣環(huán)境下快速完成吹除任務(wù)。本文研究的超高壓氣動(dòng)吹除閥(最高氣壓40MPa)就是針對(duì)該水下控制裝置的特殊要求而研制的。1超高壓氣動(dòng)吹除閥某水下控制裝置示意圖見(jiàn)圖1。超高壓儲(chǔ)氣裝置為系統(tǒng)的氣源系統(tǒng)。工作時(shí),通海閥開(kāi)啟,高壓氣體快速地通過(guò)超高壓氣體吹除閥,將水艙的水以最快的速度經(jīng)由通海閥排出,并防止海水的倒灌、回流。在各種流體機(jī)械中,為使氣流加速,廣泛采用收縮噴管和拉伐爾噴管。某水下控制系統(tǒng)吹除過(guò)程中,在吹除閥引起的振動(dòng)與噪聲允許范圍內(nèi),氣體流速越大越好。為增大氣體流速,保證吹除閥的快速響應(yīng)性,采用了拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)。超高壓氣動(dòng)吹除閥由止回閥、主截止閥、副截止閥及壓力應(yīng)變閥組成,其工作原理如圖2所示。主副截止閥主要在維修時(shí)才使用。正常工作時(shí),主副截止閥都為開(kāi)啟狀態(tài),在高壓氣體作用下,壓力應(yīng)變閥快速切換到關(guān)閉狀態(tài),高壓氣體頂開(kāi)止回閥,向水艙排氣,完成吹除功能。當(dāng)吹除結(jié)束后,氣源關(guān)閉,總管壓力降低,止回閥關(guān)閉,管內(nèi)余氣或氣水混合物通過(guò)壓力應(yīng)變閥自動(dòng)從泄漏口排至艙內(nèi)。2數(shù)學(xué)模型2.1氣體的等熵流動(dòng)氣體在吹除閥中的流動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜開(kāi)口系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程,為了簡(jiǎn)化模型,作如下假設(shè):(1)氣體通過(guò)閥口等效成收縮噴嘴來(lái)計(jì)算;(2)閥腔內(nèi)的壓力、溫度和密度是均勻分布的,閥體的換熱性能良好,閥體的溫度與環(huán)境溫度相同;(3)氣體在閥口或節(jié)流口處的流動(dòng)為絕熱等熵流動(dòng);(4)不考慮引力場(chǎng)的影響;(5)氣源開(kāi)啟時(shí),壓力應(yīng)變閥瞬間關(guān)閉,忽略壓力應(yīng)變閥對(duì)吹除閥性能的影響。2.2實(shí)際氣體運(yùn)動(dòng)方程理想氣體是實(shí)際氣體的極限情況,在通常壓力和溫度條件下,可以使用理想氣體狀態(tài)方程來(lái)近似處理實(shí)際氣體的情況。然而,在高壓或極低溫的情況下,實(shí)際氣體與理想氣體的性質(zhì)偏差很大,理想氣體狀態(tài)方程就不再適用了。為了求得準(zhǔn)確的實(shí)際氣體運(yùn)動(dòng)情況,本文采用范德瓦爾斯方程式:p=RΤν-b-aν2p=RTν?b?aν2式中,p、T分別為氣體的壓力和絕對(duì)溫度;R為普適氣體常數(shù);a、b為范德瓦爾斯常數(shù);ν為氣體的比容。根據(jù)以上假設(shè),可以得出相應(yīng)的熱力學(xué)關(guān)系。2.2.1質(zhì)量定容熱容的確定考慮范德瓦爾斯方程式,即內(nèi)能u=u(T,ν),有du=(?u?Τ)νdΤ+(?u?ν)Τdν=cVdΤ+aν2dν式中,cV為質(zhì)量定容熱容。對(duì)上式積分得u=cVΤ-aν+u0(1)式中,u0為初始內(nèi)能。2.2.2，h的公式為h=u+pν(2)考慮式(1),則式(2)可以變?yōu)閔=cVΤ-aν+pν+u0(3)2.2.3交換的熱量由熱力學(xué)第一定律知:δq=du+pdν式中,δq為對(duì)于工作界值與外界進(jìn)行交換的熱能。又因?yàn)榇朔匠虨榻^熱方程,即δq=0,得du+pdν=cVdΤ+aν2dν+pdν=0即cVdΤ+(aν2+p)dν=0對(duì)上式積分,可得實(shí)際氣體絕熱過(guò)程方程為T(mén)(ν-b)R/cV=const(4)2.3質(zhì)量流量計(jì)算氣體通過(guò)節(jié)流口為絕熱等熵流動(dòng),且為穩(wěn)定流動(dòng),節(jié)流口的入口和出口氣體參數(shù)滿(mǎn)足絕熱能量關(guān)系,假定入口速度為零,于是可以導(dǎo)出其質(zhì)量流量:Qm=Ap√2(h1-h2)/ν2(5)式中,Ap為節(jié)流口過(guò)流面積;h1為入口氣體單位質(zhì)量的焓值;h2為出口氣體單位質(zhì)量的焓值;ν2為出口氣體比容。3模擬模型的構(gòu)建3.1吹除閥入口氣體流速計(jì)算吹除閥的流道設(shè)計(jì)成拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)。由噴管最小截面與出口處截面面積比值,查氣動(dòng)函數(shù)表,可確定三個(gè)特征壓力比。根據(jù)三個(gè)特征壓力比以及出口壓力與入口壓力比之間的關(guān)系,判斷拉伐爾噴管的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài),并得到閥出口處的壓力。根據(jù)已知條件,綜合范德瓦爾斯方程式和式(4),可得吹除閥入口處氣流的基本參數(shù):壓力p1、比容ν1、溫度T1;根據(jù)出口處壓力情況,計(jì)算出出口處的比容ν2,溫度T2。由式(3)分別計(jì)算出吹除閥入口處?kù)手礹1和出口處?kù)手礹2,并求得其絕對(duì)差值dh,即dh=|h2-h1|。由此可得,吹除閥出口處氣體流速:vΗ=√2dh(6)由流量公式(5)可得到吹除閥體積流量和質(zhì)量流量分別為Ap=πd(l-0.004m)式中,d為閥芯直徑;l為止回閥閥芯位移。3.2斷裂劑l2d2作用在閥芯軸向的力主要包括驅(qū)動(dòng)力、慣性力、干摩擦力、黏性摩擦阻力、靜壓不平衡力、流體反作用力等。對(duì)于超高壓氣動(dòng)吹除閥,主要考慮止回閥閥芯的受力情況。其中,F1為入口壓力p1作用于止回閥閥芯的力,F2為出口壓力p2作用于止回閥閥芯的力,二者組成止回閥閥芯軸向的驅(qū)動(dòng)力;md2ldt2為止回閥閥芯加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力;Ff為黏性摩擦力;FC為止回閥彈簧作用產(chǎn)生的反作用力,即靜壓不平衡力;流體反作用力包括穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力Fs和瞬態(tài)氣動(dòng)力Ft。一般情況下,瞬態(tài)氣動(dòng)力較小,可忽略不計(jì),取瞬態(tài)氣動(dòng)力Ft=0。止回閥閥芯的動(dòng)力學(xué)平衡方程為md2ldt2=F1-F2-Fs+Ft-FC-Ff即md2ldt2=p1A1-p2A2-ωQmcosθ-Κ(s0+l)-μAsδdldt(8)式中,m為止回閥閥芯質(zhì)量;θ為流束軸線(xiàn)與閥芯軸線(xiàn)之間的夾角,取θ=69°;μ為氣體的動(dòng)力黏性系數(shù);K為止回閥彈簧剛度;s0為止回閥彈簧的預(yù)壓縮量;As為止回閥閥芯凸肩表面積;δ為止回閥閥芯與閥套間縫隙寬度。綜上可得吹除閥的特性方程:Qm=πd(l-0.004m)√2dh/v2md2ldt2=p1A1-p2A2-ωQmcosθ-Κ(s0+l)-μAsδdldt}(9)4仿真參數(shù)的確定為了實(shí)現(xiàn)某水下控制裝置能快速穩(wěn)定的完成吹除任務(wù),要求吹除閥響應(yīng)時(shí)間短、流量大,并盡可能地維持閥的穩(wěn)定性。根據(jù)吹除閥的特性方程,利用MATLAB中的仿真工具Simulink模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)如下:cV=717J/(kg·K),R=287.06J/(kg·K),a=163.27,b=1.27×10-3,K=37400N/m,s0=20mm,T1=298.15K,m=1.45kg,d=32mm,lmax=15mm。其中,T1為閥入口處初始溫度,lmax為止回閥閥芯最大位移量。影響拉伐爾噴管內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的因素主要有噴管最小截面與出口處截面的面積比、出口壓力與入口壓力比以及入口處初始溫度等。入口處初始溫度確定,討論吹除閥最小截面與出口處截面的面積比、入口壓力和出口壓力對(duì)吹除閥性能的影響。4.1吹除閥工作特性考慮到最小截面與出口處截面的面積比對(duì)吹除閥性能的影響,分別取面積比ξ為0.25、0.60、1.0,設(shè)定吹除閥出口壓力p2=5MPa,入口壓力p1=40MPa,可得到吹除閥的閥芯位移曲線(xiàn)圖、閥芯運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)圖以及體積流量曲線(xiàn)如圖3～圖5所示。從圖3～圖5可以得出如下結(jié)論:(1)ξ<1時(shí)與ξ=1時(shí)相比:ξ<1時(shí),止回閥閥芯的開(kāi)啟時(shí)間稍短、運(yùn)動(dòng)速度稍快,但影響不大;ξ<1時(shí),吹除閥體積流量增大。(2)ξ=0.25時(shí)與ξ=0.60時(shí)相比:吹除閥的開(kāi)啟時(shí)間基本一致;體積流量變化很小。4.2超高壓氣動(dòng)吹除閥結(jié)構(gòu)分析考慮到入口壓力對(duì)吹除閥性能的影響,入口壓力p1分別取40MPa、30MPa、20MPa、10MPa,設(shè)定吹除閥出口壓力p2=5MPa,面積比ξ=0.60,可得到超高壓氣動(dòng)吹除閥的閥芯位移曲線(xiàn)圖、閥芯運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)圖以及體積流量曲線(xiàn)如圖6～圖8所示。從圖6～圖8可以得出如下結(jié)論:(1)入口壓力越大,吹除閥的體積流量越大;(2)入口壓力增大,閥的流量增大,穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力增大,止回閥閥芯的開(kāi)啟時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度基本不變。4.3吹除閥運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)考慮到出口處壓力對(duì)吹除閥性能的影響,出口處壓力p2分別取2MPa、3MPa、4MPa、5MPa,設(shè)定入口壓力p1=40MPa,面積比ξ=0.60,可得到吹除閥的閥芯位移曲線(xiàn)、閥芯運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)以及體積流量曲線(xiàn)如圖9～圖11所示。從圖9～圖11可以得出如下結(jié)論:(1)出口背壓變化時(shí),吹除閥的體積流量基本不變;(2)出口背壓越大,吹除閥閥芯的開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)速度越慢。5壓力對(duì)超高壓氣動(dòng)吹除閥動(dòng)態(tài)特性的影響本文基于范德瓦爾斯方程式,結(jié)合氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),運(yùn)用MATLAB/Simulink分析了最小截面與出口截面面積比、入口壓力及出口壓力變化