阀门流固耦合的研究进展

钱锦远，杨佳明，吴嘉懿，金志江

（浙江大学 化工机械研究所，杭州 310027）

0 引言

阀门是流体输送过程中的重要控制部件，广泛应于能源、化工、航天等领域，其主要由节流件与承压件组成。流体流过节流件时，会产生涡流、不稳定流动、空化等现象，加剧了流场的复杂程 度［1］。复杂的流场与阀门结构相互作用，产生各种流固耦合现象。随着应用工况的不断升级，阀门的各项性能指标也不断提高。因此，出现了大量应用于大流量、高温高压、高压差等复杂工况下的阀门，这些工况下阀门的流固耦合现象会更加明显。

当流固耦合现象达到一定程度时，会影响阀门的使用性能和安全性，表1 列举了部分因流固耦合现象导致阀门失效的案例。从中可以看出流固耦合现象会对阀门及与阀门相连的多种部件产生损伤，并最终导致阀门工作效率下降乃至失效。因此，对阀门的流固耦合现象进行研究十分必要。

1 阀门流固耦合分析的理论基础

流固耦合现象是由流体与固体结构相互作用而产生的，其具体表现为：流体作用于固体结构，使固体结构产生变形或位移，而变形或位移的固体结构反过来又作用于流体，使流场发生改变［7］。需要注意的是，有时虽然存在流、固两相，但不一定属于流固耦合范畴，如利用旋风分离器分离高速气流中的固体颗粒，则属于离散相模型。

流固耦合根据流体与固体结构耦合机理，可分为两类。第一类是流体与固体结构相互重叠、渗透，很难区分出流体与固体结构的交界面，如水流对岩土的侵蚀、大气对铁块的锈蚀等。对于这类现象，通常是通过建立特定的本构微分方程进行描述。第二类是流体与固体结构存在明显的交界面，流固耦合主要在流、固两相交界面上发生，其耦合作用通过界面力进行传递［8-9］。此时，流、固两相交界面应满足位移相等、能量守恒、温度相同且合应力为零等条件［10-11］。阀门内部流场 和固体结构一般存在明显的交界面，因此属于第二类。

根据流固耦合产生机制的不同，可以将其分为摩擦耦合、泊松耦合和连接耦合等。摩擦耦合是流体在两相交界面处与固体结构存在相对运动并产生摩擦力，从而引发的流固耦合现象。一般情况下，摩擦力很小，摩擦耦合也可忽略。泊松耦合是流场压力与固体结构相互作用，从而产生的流固耦合现象。连接耦合是流体流经连接处或节流件处时，流场的速度和压力发生突变，从而与固体结构产生较强的耦合作用［12］。在大部分情况下，阀门内的流固耦合主要以泊松耦合和连接耦合为主。

结合表1 可以看出，由流固耦合现象导致阀门失效的案例中，流场的压力都较高。这是由于此时，流体对固体结构的作用十分明显，流场本身也更加复杂，更容易产生旋涡、不稳定流动等现象，进一步加剧了泊松耦合与连接耦合的作用。

根据是否考虑流固耦合现象，阀门的研究方法可以分为单场分析和流固耦合分析。单场分析仅对阀门的流场或固体结构进行研究。当流体与固体结构相互作用不明显时，单场分析可以得到较为准确的结果。国内外许多学者利用单场分析对阀门进行了研究，如Qian 等［13-14］研究了先导式截止阀内的流场及空化情况，通过与前人的模拟结果及实验数据进行对比，验证了单场分析的准确性。俞树荣等［15］通过在阀体内表面施加压力来代替流场，采用单场分析研究了结构参数对阀体强度的影响，并对阀体结构进行了优化，显著降低了阀体的最大应力。

流固耦合分析考虑了流体与固体结构的相互作用，更符合阀门的实际情况。当流场压力较大、流动复杂时，可以得到比单场分析更为准确的分析结果。隋浩等［16］分别采用流固耦合分析和单场分析得到了轴流式止回阀内的应力分布，并与阀门的实际情况进行对比，发现了流固耦合分析得到的结果更准确。张凯宏等［17］分别采用两种研究方法得到了球阀在关闭时的水击压强，发现了流固耦合分析所得到的水击压强较单场分析的小，这是由于在水击作用下，固体结构发生变形，并吸收了一部分水击能量。Cao 等［18］分别采用试验方法、流固耦合分析和单场分析得到了大流量控制阀的流量和压力分布，发现流固耦合分析得到的结果与试验数据更加吻合。此外，Cao 还发现单场分析与流固耦合分析得到的结果，在阀体壁面处的差别最大。这是因为在壁面附近阀门的流固耦合现象最明显，此时流固耦合分析得到的结果更符合实际情况。

流固耦合分析能同时得到流场与固体结构的信息，这是单场分析无法做到的。此外，流固耦合分析更符合阀门的实际情况，能得到更准确的结果，因此近年来越来越多的学者采用流固耦合分析对阀门进行研究。

2 阀门流固耦合分析的试验方法

固体结构的振动、变形等是阀门流固耦合现象的直观体现，在试验时可以直接测量。振动会影响阀门的使用性能和安全性，其不仅会产生噪声，还可能导致阀门效率下降、发生泄漏甚至失效。利用加速度传感器、位移传感器等传感器可以直接得到固体结构的振动信息。国内外学者对阀门的振动进行了大量的试验研究。如 DeBoo 等［19］利用加速度传感器研究了电磁泄压阀与安全阀的声腔共振现象，得到了阀门整体结构的振动加速度。Bazsó 等［20］利用电感式位移传感器研究了泄压阀的颤振现象，得到了阀杆的振动位移。张微等［21］通过在阀门试验件上安装振动传感器的方法，研究了调节阀的振动现象，获得了不同开度时阀体的振动速度，其具体试验系统参见文献［21］。

在流场作用下，阀门会发生变形。当变形量过大时，阀门会发生泄漏、失效甚至破裂解体等现象。利用应变片和应变花等元器件可以得到固体结构的应力和应变分布。薛子萱等［22］利用应变花、应变片等，研究了球阀壳体在升压-保压-降压过程中的应变情况，结果表明，在升压过程中，阀体各部位由于流场的作用应变逐渐增加，而在保压过程中，各部位的应变会出现小幅度的降低。

对流场进行试验研究，可以帮助研究者们更好地理解流固耦合现象。研究者们通常采用激光多普勒测速、颗粒示踪等方法得到阀门内部的流场信息，并根据流场信息可以对阀门的流固耦合现象进行预测和验证。如王国玉等［23］利用高速摄影机观察了放水阀的内部空化，发现旋涡空化导致阀门剧烈振动的现象。Zhang 等［24］利用压力传感器得到了蒸汽调节阀的压力分布，发现不稳定流动及导致的压力波动是该阀门产生振动的主要原因。

然而，试验方法也存在较多的局限性，其一般需要投入大量的人力和物力。同时还受试验条件、测量手段及测量精度等限制，经常存在试验条件达不到实际工况、试验数据采集困难等问题。

3 阀门流固耦合分析的数值方法

随着计算流体力学CFD 及流固耦合理论的发展，数值模拟被广泛地应用于阀门的流固耦合分析。目前，能对阀门的流固耦合进行数值模拟的软件包主要有：ADINA、CFX+Workbench、FLUENT+Workbench、FLUENT +MPCCI+ABAQUS 和COMSOL 等。 对 于 非 线性问题，ADINA 具有较强的处理能力［25］，但其前处理能力较弱。CFX+Workbench 及FLUENG +Workbench 对线性问题处理能力较强。其中，CFX 的物理模型丰富，更容易收敛，但是其动网格技术不如FLUENT 成熟；对于大变形问题而言FLUENT+Workbench 更具有优势［26］。此外，FLUENT 对非结构网格的处理能力更强、UDF 的使用更加方便［27］，因此其对复杂结构的研究能力更为突出。FLUENT+MPCCI+ABAQUS 继承了FLUENT 对流场计算以及ABAQUS 对固体计算的优势，目前也被广泛地运用于阀门的流固耦合模拟中［28］。

3.1 单向流固耦合与双向流固耦合

在流固耦合模拟中，流场将压力传递给固体结构，固体结构将节点位移传递给流场。根据数据是否双向传递，流固耦合模拟可分为单向流固耦合与双向流固耦合，其数据传递方向具体如图1 所示。

图1 单向与双向流固耦合模拟数据传递方向Fig.1 Data transfer direction of unidirectional and bidirectional FSI simulation

3.1.1 单向流固耦合

单向流固耦合即流场与固体结构之间的数据为单向传递。根据数据传递指向，可分为流-固单向耦合和固-流单向耦合。流-固单向耦合是流场将压力传递给固体结构，而固体结构的节点位移并不反馈给流场。固-流单向耦合是固体结构将节点位移传递给流场，而流场的压力并不反馈给固体结构。

流-固单向耦合忽略了固体结构对流场的影响，主要用于阀门的静力学分析［29］、小幅度振动特性研究［30］等。刘长亮等［31］采用流-固单向耦合，研究了蝶阀在不同开度下蝶板上的应力分布，并根据模拟结果，将蝶板与阀杆连接处加厚，显著降低了蝶板的应力和变形。娄燕鹏［32］采用CFD 方法对高压降蒸汽疏水阀的流场进行了模拟，再将流场壁面的压力脉动作为激励导入LMS Virtual.Lab，获得了阀体的振动响应，结果表明节流孔孔径越大，疏水阀的总振级越大。

固-流单向耦合忽略了流场对固体场的影响，可以用流场求解器单独完成，主要用于模拟处于运动状态的阀门固体结构对流场的影响。叶万权等［33］考虑到减震器复原阀的实际运动情况，将流场的初始状态设置为从零开始的正弦波，通过模拟结果与试验数据的对比，验证了模拟的准确性与可行性。Yonezawa 等［34］对某电厂的主蒸汽调节阀进行了固-流单向耦合模拟，将阀头的运动方式设置为理想正弦函数，获得了该阀的振动特性，发现了流场响应与阀头运动之间的相位滞后现象，以及可能引起控制阀自激振动的结果。

3.1.2 双向流固耦合

双向流固耦合是在每次迭代过程中，分别进行一次流场和固体结构的计算，然后通过中间平台相互交换数据，再进行迭代计算，直到收敛为止。根据是否考虑固体结构变形，双向流固耦合可以分为无变形双向耦合和有变形双向耦合。

无变形双向耦合是将固体结构视为刚体，只考虑固体结构在流场作用下的位移，而不考虑固体结构的变形。周振锋［35］采用无变形双向耦合对电液伺服阀进行了研究，得到了阀芯和弹簧管在流场作用下的位移量和阀门的应力分布。Hwang 等［36］同样采用无变形双向耦合分别研究了考虑与不考虑排气阀内部件位移2 种模型下压缩机排气阀的性能，并将模拟结果与实验数据进行比较，发现考虑阀门内部件运动的耦合模型可以得到更准确的结果。

有变形双向耦合既需要考虑固体结构在流场作用下位移，还需要考虑固体结构的变形。该方法适用于研究阀门的大变形、大幅度振动等情况。林砺宗等［26］采用有变形双向耦合，对某气压密封阀的变形进行了研究，发现在额定压力下，控水环的变形量与流体压力呈正线性关系。尤泽广［27］采用有变形双向耦合，对某天然气管道减压阀各个部位的疲劳寿命进行了研究，发现无论是静载荷还是随机振动载荷，阀门的最小疲劳寿命总是发生在减压阀的进口管段到阀座的拐角处。

双向流固耦合模拟更接近阀门的实际工作情况。陈杨［37］分别采用单向流固耦合与双向流固耦合分析了三偏心蝶阀在45°开度时的应力应变，发现两种模拟结果差距较大，认为是由于阀门的变形较大，单向流固耦合不能得到较准确的结果。但是双向流固耦合计算难度大、花费资源多、难收敛，尤其是有变形双向耦合，这方面的研究还不普遍。因此，在模拟过程中，应根据实际情况，选择合适的耦合模型。表2 归纳了部分国内外学者利用流固耦合模拟对阀门的研究情况，可见振动特性、应力应变以及流场分布是流固耦合模拟的主要内容。

表2 部分国内外学者利用流固耦合模拟对阀门的研究Tab.2 Researches of some scholars at home and abroad on valves using FSI simulation

3.2 双场耦合与多场耦合

流固耦合可以根据耦合场数，分为双场耦合与多场耦合。

3.2.1 双场耦合

双场耦合在多数情况是流场与固体结构的耦合，此种情况的案例前文已经做了大量阐述，这里不再赘述。除此之外，也有一些学者利用声固耦合来代替流固耦合。该方法是将流场区域视为声场，利用声场代替流场来进行耦合。利用声固耦合替代流固耦合，可以不受流体载荷类型的限制，能更好地模拟复杂的流场，只需给定流体介质的体积模量以及密度［45］。该方法适用于阀体外压力较大、流场较复杂的阀门，如深海阀会受到水压、海浪、洋流、地震等一系列外载荷的影响，这时需要考虑外流场与阀门固体结构的相互作用。张希恒等［46-47］分别利用声固耦合和流固耦合，分析了深海阀门的振动特性，并将两者的计算结果进行比较，发现两者在低阶振动上，具有较好的一致性，但在高阶振动上差异较大。

然而，利用声固耦合代替流固耦合也有自身的局限性，其无法考虑流体的相变过程（如空化），也无法处理含时变附加质量效应的模态 计算。

3.2.2 多场耦合

阀门的多场耦合，主要有热流固耦合和声流固耦合等。热流固耦合是在流固耦合的基础上考虑温度场对阀门结构和流场的影响［48］。在实际工况下，受温度的影响，阀门的固体结构会发生变形。当各处变形不能协调时，固体结构会相互约束从而产生的内应力，这种内应力即为热应力。当阀门所处环境温度十分极端，或固体结构温度梯度较大时，会产生较大的热应力，此时不能忽略温度场对阀门流场和固体结构的影响。因此，往往需要采用热流固耦合。热流固耦合的求解过程为：首先对流场求解得到压力场，其次将流场温度加载到固体结构，得到固体结构的温度场，最后将压力场与温度场加载到固体结构，从而得到结构变形场，其过程如图2 所示。

国内外学者利用热流固耦合对阀门进行了大量的研究，Li 等［49］利用热流固耦合，对某蒸汽疏水阀进行了研究，获得了该阀的温度和应力分布情况，发现了阀门的危险点。王新海等［50］利用热流固耦合分别研究了液化天然气球阀在深冷和常温工况下的温度分布、变形情况和应力集中现象等，发现阀门在深冷工况时的变形量最大。余航等［51］利用热流固耦合分析了在温度快速变化时止回阀的热应力和热变形，发现温度变化较快时，阀内会产生较大的热应力。Marek 等［52］同样研究了蒸汽阀的热流固耦合现象，发现温度越高、温度梯度越大，阀门的热应力也越大。

图2 热流固耦合的求解过程Fig.2 Solution process of thermal-fluid-structure interaction

此外，固体结构的振动、流场的空化等现象会产生噪声，噪声会影响设备的正常运行。利用声流固耦合可以得到阀门的噪声分布情况，为阀门的降噪技术研究提供参考。张师帅等［53］利用声流固耦合对冰箱压缩机吸气阀组进行了模拟，得到了不同厚度阀片的位移、热应力和相应的噪声等信息。祖洪彪等［54］研究了阀门的流致声共振，发现阀门的腔体和管道的几何参数对声模态的影响较为明显。

3.3 流固耦合模拟发展方向

借助流固耦合模拟，可以对阀门的应力应变、振动特性等问题进行研究，可为阀门的设计和结构优化提出指导性意见。但流固耦合模拟依然存在一些不足，如计算速度较慢、大变形问题处理能力较弱、计算准确性较低等。针对这些问题，研究者们也提出了一些新的思路。

目前，针对阀门的流固耦合模拟多采用弱耦合，即流场与固体结构分别求解再通过耦合界面进行数据交换。弱耦合在各个时间步之间流场和固体结构缺少耦合，因此计算精确程度较低。强耦合是构建统一的控制方程，同时求解流场和固体结构，使耦合界面成为统一的求解区域［10］。强耦合能获得更准确的耦合现象，且不存在时间滞后等问题。但强耦合的主要缺点是在构造控制方程过程中常常需要对问题进行简化，计算准确度较难保证［55］。而随着计算机技术和流固耦合理论的发展，强耦合将成为流固耦合模拟的主要发展方向之一。

在流固耦合模拟中，固体结构的网格往往采用的是拉格朗日描述，即着眼于物质点的描述，而流场的网格往往采用欧拉描述，即着眼于空间点的描述。在处理大变形、大位移等情况时，可能会出现耦合面运动学协调条件不满足的情况。针对此问题，研究者们提出了ALE 移动网格法。该方法克服了拉格朗日法的网格畸变问题，可以实现跟踪自由表面流动，在流固耦合分析中有较大发展潜力［8］。仲继则等［56］也提出一种快速动网格法，采用同时空步流固耦合算法，在确保计算准确性的同时显著降低了计算时间。

此外，无网格法也是一种发展趋势，其是指在数值计算时，不生成网格，而是通过对一系列任意分布的坐标点构造插值函数，模拟复杂的流场。该方法能避免传统数值计算时的网格畸变和重构等问题。目前，已经发展出多种无网格算法，其中与流固耦合领域关系密切的有SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）、MLPG（Methless Local Petrov-Galerkin）、RKPM（Reproducing Kernel Particle Method）等。但无网格法的研究历史较短，在计算效率、边界条件处理和工程应用等方面还无法与传统的数值计算方法相媲美［57］。

4 结论

（1）相较于单场分析，流固耦合分析更符合阀门的实际情况，能得到较准确的结果。

（2）振动与变形是阀门流固耦合现象的直观体现，可以通过试验方法直接测量。

（3）对流场进行试验研究可以对阀门的流固耦合现象进行预测、验证。

（4）流固耦合模拟根据数据传递方向可分为单向流固耦合模拟与双向流固耦合模拟；根据耦合场数可分为双场耦合与多场耦合。

（5）强耦合、ALE 移动网格法、无网格法等方法是流固耦合模拟的发展方向。