在流固耦合（FSI）方案中，流體會(huì)影響結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)會(huì)影響流體流量或同時(shí)影響兩者。為依賴FSI的設(shè)備建模時(shí)，您可能需要模擬這些選項(xiàng)之一，組合或全部三種。在流固耦合多物理場(chǎng)在COMSOL?軟件耦合可以很容易地在您的分析實(shí)現(xiàn)FSI。在此博客文章中，我們研究了通過(guò)球形止回閥的流量，以了解不同的流量方向和壓力。

流固耦合的一個(gè)簡(jiǎn)單例子

止回閥是簡(jiǎn)單的兩通閥，其中的流體沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一方向則無(wú)回流。球止回閥是一種止回閥，其中在閥內(nèi)使用一個(gè)球來(lái)阻止回流。如果您曾經(jīng)將手動(dòng)氣泵用于自行車車輪或籃球，則可能已經(jīng)使用了止回閥。用于液體和凝膠分配器（例如洗手液）的微小插頭也可以用作球止回閥。

球型止回閥的設(shè)計(jì)和使用有所不同。對(duì)于某些變型，球未裝在閥中，而對(duì)于另一些變型，球由彈簧機(jī)構(gòu)輔助。這些設(shè)備的最大共同點(diǎn)是價(jià)格便宜，體積小，制造和構(gòu)造簡(jiǎn)單。

球形止回閥也恰好是流體-結(jié)構(gòu)相互作用的一個(gè)示例。讓我們來(lái)看看球形止回閥教程模型來(lái)演示的收益流固耦合多物理場(chǎng)的耦合COMSOLMultiphysics?軟件。

使用COMSOL?軟件在球式止回閥中模擬FSI

在此模型中，F(xiàn)SI與機(jī)械觸點(diǎn)相結(jié)合，以模擬彈簧加載的球形止回閥的關(guān)閉。

球型止回閥模型是一種結(jié)構(gòu)接觸問(wèn)題，其中流體圍繞并作用在固體零件（閥殼和球）上。對(duì)這樣的情況進(jìn)行建模非常困難，在這種情況下，兩個(gè)接觸的對(duì)象將完全切斷流的路徑。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，以便將一個(gè)流體域分為兩個(gè)不相交的域。

在此模型中處理該問(wèn)題的方法是在接觸表面上增加一個(gè)小的偏移量，這樣即使建立了接觸，也總是有一個(gè)小的流動(dòng)通道。這樣，避免了拓?fù)渥兓?/span>但是，產(chǎn)生的通量可以忽略不計(jì)，并且壓降在非常短的距離內(nèi)發(fā)生。

您可以在兩種情況下模擬閥中的流體流動(dòng)：

1. 功能，其中作用在球上的流體力在打開(kāi)壓力下打開(kāi)閥門

2. 反向，其中球在反向壓力下與O形圈接觸并阻止回流

COMSOLMultiphysics?的附加組件“ 結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”和“ MEMS模塊”包括用于模擬流固耦合的預(yù)定義耦合。在流固耦合多物理場(chǎng)耦合設(shè)置所有的額外等式需要被考慮的FSI問(wèn)題。

如上動(dòng)畫所示，由于在模擬過(guò)程中球與O形圈之間的縫隙形狀發(fā)生了很大變化，因此必須重新定型以保持網(wǎng)格元素的良好質(zhì)量。教程模型演示了一種重新網(wǎng)格化技術(shù)，可用于精確解析球和環(huán)之間的流體域。

檢查球型止回閥中的流量

運(yùn)行耦合分析后，您可以檢查球形止回閥的行為。首先，閥具有功能，可防止逆流情況下的回流并允許功能情況下的流動(dòng)。在下面的結(jié)果中，您可以看到在正常和反向流動(dòng)條件下閥中的流體壓力。您還可以評(píng)估固體中的應(yīng)力。

反向（左）和功能（右）下的球形止回閥中的流體壓力。

確認(rèn)止回球閥功能正常后，您可以檢查該閥的性能并使用結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。流體的速度是止回閥的重要特性。您可以查看流量如何流經(jīng)閥門，計(jì)算最大速度，并使用出口處的平均速度來(lái)確定流經(jīng)閥門的最大流速。此外，您可以通過(guò)繪制壓力與流量的關(guān)系曲線來(lái)查看閥門的工作曲線。

完全打開(kāi)的功能階段的流體速度（左）和通過(guò)閥門出口的流速（左）。

當(dāng)流量上升到非零值時(shí)，此止回球閥的打開(kāi)壓力約為4.5 mbar。