模拟球形止回阀中的流-固耦合作用

在流-固耦合（FSI）场景中，流体会影响结构，结构也会影响流体流量，或者二者互相影响。在对基于流-固耦合运行的装置进行建模时，您可能需要模拟其中一种单向影响，也可能需要模拟流体和固体相互影响。COMSOL® 软件中的流-固耦合多物理场接口可以帮助您轻松地实现流-固耦合仿真分析。在本篇博客中，我们研究了在不同的流向和压力下，通过球形止回阀的流量。

一个简单的流-固耦合示例

止回阀是一个简单的两通阀，其中的流体沿一个方向流动，而另一个方向则无回流。球形止回阀是止回阀的一种，通过在阀内安装一个球来阻止回流。如果您曾经使用手动气泵给自行车或篮球充过气，那么您可能已经使用过了球形止回阀。用于液体和凝胶（例如洗手液）分装瓶的小型泵头也可以看作球形止回阀。

根据用途，球形止回阀的设计有所不同。在一些变体中，阀中未安装球，而对于另一些变体，球是由弹簧辅助的。这些装置最大的共同点是价格便宜、尺寸小、生产和构造简单。

球形止回阀恰好是流-固耦合的一个示例。让我们通过球形止回阀模型案例，来看看使用COMSOL Multiphysics®软件进行流-固耦合多物理场仿真的优势。

使用 COMSOL® 软件模拟球形止回阀中的流-固耦合

在此模型中，将 FSI 与机械接触相结合，来模拟用弹簧加载的球形止回阀的关闭。

球形止回阀模型是一个结构接触问题，其中流体围绕并作用在固体零件（阀体和球）上。在这种情况下，两个互相接触的对象将完全切断流体的路径，因此建模非常困难。当阀门关闭时，拓扑结构将发生变化，以便将一个流体域划分为两个不相交的域。

此模型中处理该问题的方法是，在接触表面上添加一个小的偏移量，从而使得即使建立了接触，也始终存在一个小的流动通道。这样，可以避免拓扑结构发生变化。然而，流体流动所产生的通量 可以忽略不计，并且压降只在非常短的距离上存在。

您可以在两种情况下模拟阀中的流体流动：

1. 功能，作用在球上的流体力达到打开压力从而打开阀门
2. 反向，球在反向压力下与 O 形圈接触并阻止回流

“结构力学模块”和“MEMS 模块” 是 COMSOL Multiphysics® 的附加产品，包含了一个预定义的耦合节点，可用于模拟流体和固体的相互作用。流-固耦合多物理场节点设置了所有在 FSI 问题中需要考虑的额外方程。

根据上面动画显示的结果，由于在模拟过程中球与 O 形圈之间的缝隙形状发生了很大变化，因此需要重新划分网格以保持网格单元的良好质量。本案例模型演示了一种网格重新划分技术，该技术可准确求解球与 O 形圈之间的流体域。

查看球型止回阀中的流量

运行耦合分析后，您可以检查球形止回阀的性能。首先，阀的功能是防止反向回流，并在开启时允许流动。下图中的仿真结果显示，在正常流动和反向流动条件下阀中的流体压力。此外，您还可以评估固体中的应力。

反向回流（左）和功能开启时流动（右）条件下，球形止回阀中的流体压力。

在确认球形止回阀的功能符合预期后，您可以检查阀的性能并将仿真结果作为设计参考。流体速度是球形止回阀的重要特性，您可以查看流体是如何穿过阀流动的，计算最大流体速度，并使用出口处的平均速度来确定流经阀的最大流速。另外，您还可以通过绘制压力与流量的函数图来查看阀的工作曲线。

完全打开功能阶段的流体速度（左）和阀门出口的流速（右）。

当流量上升到非零值时，球形止回球阀的打开压力约为 4.5 mbar。

当然，COMSOL “案例下载” 页面还有许多关于如何使用 COMSOL Multiphysics 对流-固耦合进行建模的其他案例。您是否正在进行流-固耦合建模分析？欢迎在博客下方留言，告诉我们您的问题。

自己尝试

尝试自己动手使用流-固耦合多物理场对球形止回阀建模。单击下面按钮，进入 COMSOL “案例下载”页面，在这里您可以下载 PDF 文档以及有效的软件许可和随附的 MPH 文件。

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