可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)強度與通流特性數(shù)值仿真研究

田 昊，王孫懿，侯交義，張增猛，弓永軍

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

引言

清管作業(yè)是保證輸送管道可運輸?shù)闹匾侄?，清管器在清管過程中具有適用管道口徑范圍廣、使用距離長、無需管道停輸、可在線清管等優(yōu)點，引起人們廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[1]。其中，皮碗作為清管器上的重要組件，在運作過程中，主要要求具備兩方面的功能：密封管道內(nèi)部流體形成驅(qū)動力、緊貼管壁完成清洗并推動污垢向前移動[2]。實際工作中，人們主要關(guān)注清管過程中皮碗與管道之間的相互作用，因為這不僅關(guān)系著皮碗是否能實現(xiàn)其密封、刮削等功能，同時也決定了清管效果的好壞以及皮碗的使用壽命[3]。對于清管器，已有研究者采用實驗與模擬的方法研究了清管過程中流體的流動狀態(tài)以及清管器在管道中不同壓差下的運動模型[4-5]，包括穩(wěn)態(tài)流動、瞬態(tài)流動以及多相流動等，對于清管器與管道的接觸性能的研究相對很少。針對不同的工況以及清管器的特殊功能，建立模型并研發(fā)了可控速清管器、可變徑清管器、內(nèi)檢測智能清管器等。在清管器結(jié)構(gòu)方面，一般所述皮碗清管器則是利用皮碗裙邊對管道3%～5%左右的過盈量與管壁緊貼達到密封，裝置由系統(tǒng)管道壓差推動前進[6]。

目前，管道機器人主要依靠裝置芯管內(nèi)部旁通調(diào)速閥開口面積進行節(jié)流調(diào)速[7]，然而這種方式直接導(dǎo)致設(shè)計出的管道機器人具有結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、裝置體積較大以及小型化困難等缺陷。實際研究與實踐表明，這種方式難以兼得隔離、清管、通行三重功能。本研究采用一種外置錯位皮碗進行調(diào)速設(shè)計，通過控制可回轉(zhuǎn)皮碗旋轉(zhuǎn)角度，改變皮碗重合面積，實現(xiàn)通流量及裝置兩端壓差的調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)在管道中的運行速度。由于皮碗為柔性變形機構(gòu)，其壓力-形變規(guī)律以及通流性能無法使用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算，因此，本研究將從新外置調(diào)速皮碗設(shè)計出發(fā)，建立可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)模型，開展系統(tǒng)典型工況下的流場與應(yīng)力場仿真，最終得到新型可調(diào)速皮碗設(shè)計規(guī)律。

1 可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的流體驅(qū)動型管道機器人為了適應(yīng)管徑小幅度變化、管壁缺陷及雜質(zhì)堆積產(chǎn)生的不平特征，通常采用橡膠彈性材料，如圖1所示。通過與管壁過盈配合，皮碗承受管道內(nèi)流體靜壓力并轉(zhuǎn)換為機器人前進動力。然而，傳統(tǒng)皮碗僅能承載，不可調(diào)速，應(yīng)用靈活性不足，針對這些問題，本研究提出雙層疊片可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)的管道清洗器皮碗結(jié)構(gòu)

1.1 零曲率可調(diào)速皮碗設(shè)計

本研究設(shè)計一種由2層直徑相同的皮碗組合而成的零曲率可調(diào)速皮碗系統(tǒng)，如圖2所示。通過控制可回轉(zhuǎn)皮碗旋轉(zhuǎn)角度，改變皮碗重合面積，實現(xiàn)通流量及裝置兩端壓差的調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)在管道中的運行速度?？苫剞D(zhuǎn)皮碗沿圓周方向設(shè)計有U形槽，便于在可回轉(zhuǎn)皮碗與固定皮碗相對旋轉(zhuǎn)時線性調(diào)整通流口開度，實現(xiàn)流量定量調(diào)整。

圖2 零曲率可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)

1.2 邊沿變曲率可調(diào)速皮碗設(shè)計

為了研究邊沿結(jié)構(gòu)對于密封性能以及皮碗結(jié)構(gòu)強度的影響，本研究設(shè)計了第二種皮碗結(jié)構(gòu)，即邊沿變曲率可調(diào)速皮碗，如圖3所示。上層為直板回轉(zhuǎn)皮碗，下層為弧度皮碗。其中，弧度皮碗沿圓周等間距開設(shè)4個徑向?qū)挾? mm、開口夾角為30°的扇形卸荷孔。兩皮碗緊密配合，通過兩皮碗相互交錯，使阻擋流體的面積發(fā)生變化，進而改變裝置運行速度及位移變化情況。與零曲率可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)不同，變曲率的皮碗邊沿保障了受壓變形時仍可以與管壁間保持較好接觸，相當(dāng)于增加了零曲率皮碗的徑向過盈量，可以實現(xiàn)較好保壓及結(jié)構(gòu)強度。

圖3 邊沿變曲率可調(diào)速皮碗設(shè)計

2 數(shù)值仿真設(shè)置

2.1 皮碗模型仿真域與關(guān)鍵參數(shù)選取

為了研究提出的調(diào)速皮碗的靜力學(xué)與流體性能，建立數(shù)值仿真域如圖4所示，包含法蘭盤、芯管、亞克力玻璃管及組合皮碗(弧度皮碗、直板回轉(zhuǎn)皮碗)等裝置。其中，所用組合皮碗選用具有回彈性好、耐磨、耐老化[8]特點的丁苯橡膠作為材料。為了研究新設(shè)計的組合皮碗對于整個管道流體兩端壓降的影響，在靜力學(xué)仿真研究的基礎(chǔ)上，在上下兩端設(shè)置壓力、速度邊界，流體材質(zhì)設(shè)置為水，固體材質(zhì)設(shè)置為鋁合金，選擇k-ε湍流模型進行流場仿真，其余仿真設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 各裝置所用材料

圖4 皮碗靜力學(xué)及流場仿真計算域設(shè)置

2.2 網(wǎng)格劃分

選取一段管道及其中皮碗作為計算域，劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸的大小，一方面決定著分析的結(jié)果是否精確，另一方面也關(guān)聯(lián)著測試整個試驗裝置所用的時間。因此需要對皮碗網(wǎng)格尺寸的劃分進行無關(guān)性檢測，以保證網(wǎng)格劃分的合理性[9]。針對改進前的皮碗裝置，進行網(wǎng)格尺寸無關(guān)性研究，取距皮碗中心4 cm處為位移分析基準(zhǔn)線，輸入壓力10 MPa，當(dāng)網(wǎng)格尺寸從10 mm 變至2 mm時，網(wǎng)格尺寸劃分的越細，位移結(jié)果越趨近收斂于2.20 mm。說明2～4 mm網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果的影響很小，可認為網(wǎng)格尺寸已達到無關(guān)，因此取2.5 mm的網(wǎng)格尺寸作為計算網(wǎng)格。靜力學(xué)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5a所示。流場模擬選用Fluent模塊，在裝置頂部及底部分別設(shè)置壓力入口、速度出口，網(wǎng)格采取自動劃分，流場網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5b所示。

圖5 皮碗網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 邊界條件與初始條件

本研究中的靜力學(xué)與流場仿真均采用穩(wěn)態(tài)分析求解器。在靜力學(xué)研究中，邊界條件的設(shè)置保留原有試驗裝置的法蘭盤、亞克力玻璃管及組合皮碗部分。將皮碗側(cè)面與亞克力玻璃管壁接觸，其中接觸面為皮碗側(cè)面，目標(biāo)面為亞克力玻璃管壁。接觸類型為Frictional，摩擦系數(shù)設(shè)定0.8。皮碗之間相互接觸區(qū)域的接觸類型為No Separation。清管器其他接觸部分，如法蘭盤與皮碗，接觸類型為Bonded。沿垂直于皮碗表面方向添加不同數(shù)值壓力，使亞克力玻璃管底部、皮碗與芯管接觸區(qū)域、法蘭盤底部及與芯管接觸區(qū)域進行面接觸固定。

流場仿真中，處理器選擇壓力輸入，時長選擇進行穩(wěn)態(tài)分析，計算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。材料選擇分為2部分：液體部分設(shè)定為水，固體部分設(shè)定為鋁合金。入口壓力參數(shù)結(jié)合靜壓測試分析設(shè)定為2～10 MPa，出口速度設(shè)定為1 m/s。

3 仿真結(jié)果

分析不同壓力下，不同厚度、不同直徑皮碗位移變化曲線，對比零曲率可調(diào)速皮碗及邊沿變曲率組合皮碗的變形規(guī)律的區(qū)別與聯(lián)系，并分析新設(shè)計的組合皮碗對于整個管道兩端壓降的影響。

3.1 皮碗結(jié)構(gòu)參數(shù)對靜力學(xué)特性的影響

皮碗的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，即皮碗的直徑及厚度對于皮碗在受壓情況下的變形有著直接影響。研究中針對常見管道直徑，分別選取不同皮碗厚度及直徑，分析皮碗變形量與壓力的關(guān)系。皮碗直徑選擇100 mm，分別將皮碗的厚度設(shè)置為5,7 mm進行仿真分析，觀察皮碗位移云圖如圖6a、圖6b所示。將皮碗厚度固定選擇5 mm，分別將皮碗的直徑設(shè)置為100,120 mm進行仿真分析，觀察皮碗位移云圖如圖6c、圖6d。

圖6 皮碗位移云圖

如圖7所示，零曲率皮碗可以保證在0～5 MPa下進行穩(wěn)定運作，5 mm厚皮碗最大承載壓力位移為2.66 mm，7 mm厚皮碗最大承載壓力位移為1.16 mm。同時，零曲率皮碗在承壓3 MPa以上時，承載壓力位移出現(xiàn)陡增的趨勢(以5 mm厚皮碗為例,3 MPa：0.60 mm；4 MPa：1.64 mm；5 MPa：2.66 mm)。采用邊沿變曲率設(shè)計的皮碗可以保證在0～7.5 MPa下進行穩(wěn)定運作，5 mm厚最大承載壓力位移為1.96 mm，7 mm 厚最大承載壓力位移為1.34 mm。同時，邊沿變曲率皮碗在承壓3 MPa以上時，承載壓力位移曲線的變化有了明顯的改善(以5 mm厚皮碗為例，3 MPa：0.57 mm；4 MPa：0.75 mm；5 MPa：1.12 mm)。

圖7 不同厚度皮碗位移對比圖

如圖8所示，零曲率皮碗可以保證在0～3MPa下進行穩(wěn)定運作，φ100皮碗最大承載壓力位移為0.60 mm，φ120皮碗最大承載壓力位移為2.34 mm(2.0 MPa：0.76 mm；2.5 MPa：1.23 mm；3.0 MPa：2.34 mm)。邊沿變曲率設(shè)計的皮碗可以保證在0～4 MPa 下進行穩(wěn)定運作，φ100最大承載壓力位移為0.75 mm，φ120最大承載壓力位移為2.56 mm(2.0 MPa：0.88 mm；2.5 MPa：1.08 mm；3.0 MPa：1.42 mm)。

圖8 不同直徑皮碗位移對比圖

結(jié)合圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)，相較于零曲率皮碗而言，新設(shè)計的邊沿變曲率皮碗由于自身邊沿的存在，當(dāng)發(fā)生受壓變形時仍可以與管壁間保持較好接觸，相當(dāng)于增加了零曲率皮碗的徑向過盈量，在承載壓力和抵抗受壓變形方面均有所提高，實現(xiàn)較好保壓及結(jié)構(gòu)強度。

3.2 皮碗開度與流場分析

由3.1節(jié)皮碗變形仿真結(jié)果可知，在工作壓力設(shè)定范圍內(nèi)，邊沿變曲率皮碗始終能夠保持皮碗邊沿與管道相接觸，且最大變形量在3 mm以內(nèi)，相比于皮碗與管道所組成的控制體的長度320 mm，皮碗形位變化對于流場整體體積的影響可以忽略不計，因此，在本節(jié)中采用固定皮碗結(jié)構(gòu)進行流場分析。依據(jù)2.3節(jié)所述試驗及接觸條件來模擬皮碗裝置流場，取皮碗厚度、皮碗直徑、管道入口壓力3個變量并觀察流場中管道壓力及流體流速變化，結(jié)果如圖9所示。卸荷孔的存在使皮碗兩端壓差變化明顯，卸荷作用效果較好，同時，由流場流速線可以看出，整個裝置在皮碗卸荷孔處流速最大。

圖9 皮碗流場壓力流線圖(開口100%)

入口壓力恒定為2 MPa，速度出口設(shè)定范圍0.5～3 m/s，觀察扇形卸荷孔分別在開口25%,50%,75%,100%時不同出口速度下的皮碗受力曲線，見圖10a。出口速度恒定為1 m/s，壓力入口設(shè)定范圍2～10 MPa，觀察扇形卸荷孔分別在開口25%,50%,75%,100%時不同進口壓力的皮碗受力曲線，見圖10b。

由圖10可知，在卸荷開口大小一致且出口速度保持不變的情況下，入口壓力的變化對于整體皮碗的受力變化影響可忽略不計。而當(dāng)保持入口壓力不變，調(diào)整出口速度變化時，皮碗的受力隨著出口速度的增大而增大。

圖10 流場仿真皮碗受力曲線

4 結(jié)論

本研究設(shè)計一種新型外置調(diào)速皮碗并與原整體式皮碗結(jié)構(gòu)進行對比，闡述了該新型外置調(diào)速皮碗的特點。對新型外置調(diào)速皮碗進行不同壓力環(huán)境下位移分析，結(jié)果表明，其在受壓情況下位移變化較為均勻。對比原整體式皮碗，無論是改變皮碗厚度還是直徑，新型外置調(diào)速皮碗在承載壓力方面均有改善。扇形卸荷孔的存在使管道通流性能得以提高，扇形孔的卸荷面積越大，壓降越明顯?；贔luent流場試驗得出，在扇形卸荷孔開口不變的情況下，進口壓力的變化不會改變皮碗受力大小，而出口速度的變化會導(dǎo)致皮碗受力近似成正比增長。