基于AMESim的换向阀仿真.doc

基于AMESim的换向阀仿真 张汉秀 罗骄 陈晓龙 （上海航天动力技术研究所， 上海市闵行区中春路1777号501大楼） 引言 本文基于AMESim软件，建立了阀门的仿真系统，对阀门进行了仿真计算，得出阀门的动态特性数据，并与实验结果进行了对比分析。 阀门物理结构及其工作原理 该型阀门的工作原理图如图 1所示。阀芯两端各有一个控制腔（左控制腔和右控制腔），各有一个出口（左出口和右出口）。 图 1 阀门工作原理图 其工作原理是：控制气源向控制腔提供高压气体，通过在阀芯两端建立压差，作为阀芯运动的驱动力。压差由阀芯两侧的控制腔提供，通过调节左右控制腔的压力，实现阀芯的运动，进而实现两个出口的开合。左出口和右出口的开合状态是相反的，即左出口打开时，右出口关闭；右出口打开时，左出口关闭。当需要气体从右出口流出时，右控制腔充气，左控制腔放气，如此一来，右控制腔压力升高，左控制腔压力降低，压差促使阀芯向左运动，使左出口关闭，右出口打开，从而气体从右出口流出。当需要气体从左出口流出时，控制状态正好相反。 系统结构图 建立阀门的仿真系统时，进行了以下几点的假设和简化： 1）忽略阀芯和与其接触组件之间的静摩擦力和动摩擦力； 2）忽略气体的粘性，将气体看作理想气体处理； 3）不考虑气体在流动过程中的换热； 系统中大部分元件采用了AMESim自带库中的元件，由于关键部件—阀芯没有合适的现成模型可以选用，因此对阀芯的模型进行了二次开发，以符合所仿真系统的具体特征。例如，阀芯在极限位置（堵住出口）时，出口气体对其作用面积与中间位置（不堵住出口）时是不同的，因此，阀芯运动到极限位置时，需要向活塞元件发出信号，活塞元件接收到此信号后，调整活塞的面积。 对阀门进行结构分解，并对各部分进行物理建模后，搭建的系统结构如图 2所示。 图 2仿真系统结构图 仿真结果及分析 试验中对阀门进行了多次脉冲调节，脉冲宽度为0.2s，占空比为1。由于控制腔压力也是脉冲变化的，且每个脉冲的变化一样，因此仅选取其中一个脉冲进行分析。又因为阀门的结构是左右对称的，因此，只选取了右控制腔和右出口进行分析。 仿真和试验的对比 对阀门进行仿真后，得出控制腔压力和出口压力随时间的变化分别如图 3和图 5所示，并将试验结果绘制在一起以进行对比，由于试验时的时间原点和仿真的时间原点不一致，因此对仿真曲线沿着时间轴进行了平移，使它们的控制指令原点一致。 图 3 控制腔压力变化曲线 图 4单个脉冲放大图 图 5喷管腔压力变化曲线 从图中可以看出： 1）控制腔出口关闭指令发出后，对于控制腔压力，仿真结果显示压力立即开始上升，试验结果只是出现了一个波动（约0.316s处的“针尖”，），压力并未立即上升，而是在约0.33s处开始上升。这是因为控制腔出口的突然动作对流场产生了扰动（同样的情况也出现在压降开始时，此时发出的是控制腔出口打开指令），由于气流流速高，且压力大，致使堵盖的初始运动相对较慢，从而导致压力的上升延迟。而仿真不存在这个问题。 2）对于控制腔压力，在建压过程中有个压力突降，这是因为阀芯从静止状态开始运动，阀芯运动使得控制腔体积增大，从而导致的控制腔压力降低速率大于因控制腔充气导致的压力增加速率，可以形象地理解为“阀芯运动速率大于充气速率”，从图 6中可以清楚地看到这一过程（A和B之间）。对于泄压过程，当压力降低开始的一段时间内，由于压差不足以驱动阀芯运动，因此，这段时间阀芯仍然是静止的。随着压力继续降低，压差足够大时，阀芯开始运动，阀芯运动使得控制腔体积减小，从而导致的控制腔压力升高速率大于因控制腔放气导致的压力降低速率，可以形象地理解为“阀芯运动速率大于放气速率”，因此，出现了压力突增（图 6中的C点）。 图 6 控制腔压力与阀芯位移的对应关系 3）对于试验曲线，压力的变化在达到稳定状态前都有波动现象，而仿真则没有出现波动。这是因为考虑到流场的复杂性，仿真没有考虑流场的具体分布，而是按照零维模型进行处理的。 误差分析 对于阀芯的运动时间（从左到右，或反之），试验中无法直接测量，只能根据测得的喷管腔压力进行间接推算，按照喷管腔压力（表压）从0变化到稳定压力的90%算，这段时间可以看作是阀芯的运动时间，此时间在5~5.5ms之间。而仿真可以直接从阀芯位移得出阀芯的运动时间，约为6ms，仿真的误差为20%~10%。 结论 本文基于AMESim软件，开发了某型阀门的元件，建立了阀门的仿真模型，对阀门进行了动态特性仿真，得出的仿真结果和试验数据比较吻合，但在局部细节上和试验数据仍然有些差异，比如：仿真的压力上升时间比试验要提前，仿真的压力下降过程中的峰值比试验的要大，这主要是仿真过程中对系统做了一些简化和假设所致。在后续的研究中，可以进一步细化模型。 总体来说，本