基于ANSYS-Fluent活塞式石蜡驱动器内径改进.pdf

2024年 第1期（总217期）CFHI设计与计算一重技术石蜡作为一种潜热储能材料，具有相变潜热大，固-液相变过程体积变化大，热稳定性好，且价格低廉等优点，在航空、航天、微电子等领域得到广泛应用1。此外，以石蜡为驱动材料的热驱动装置也有望成为微型机械的重要驱动方式2。石蜡驱动器具有较好的综合性能，既可以为释放机构提供较大的输出力，又可以实现低冲击下的释放功能3。非火工分离技术具有结构简单、安全可靠、污染小等优点，是现代航天分离释放的重要手段之一。石蜡驱动器作为一种非火工装置，利用石蜡在相变过程中体积膨胀做功推动活塞杆运动,故不会产生电磁铁驱动释放时的带磁现象，也不会对航天器、卫星内部的精密电子元件及通讯设备造成破坏，影响航天器的正常工作46。因此，石蜡驱动器在航空航天领域得到广泛应用。石蜡驱动器的力输出特性是衡量工作性能的一个重要指标。通过对输出力的研究可为精确控制石蜡驱动器提供数据支撑，也为实用奠定基础7。然而，航天器内部元件众多，空间有限，如何在有限空间输出更大驱动力成为目前研究的热点。王广振8等人通过改变驱动器外壳材料使石蜡驱动器获得更大输出力。刘霞9，邓建红10，陈正浩11等人通过在石蜡中添加其他材料增大石蜡相变的膨胀压力，进而增大石蜡驱动器的输出力。以上研究主要是材料方面的改进，并未考虑石蜡驱动器结构。通过试验找出力输出效果更好的内径虽然准确可靠，但需要消耗大量的时间和成本。而数值仿真既可以节省成本，又能快速得出结果。同时，基于ANSYS-Fluent的石蜡相变数值仿真更多关注内部石蜡的相变速率和导热性能，没有1.沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生，辽宁沈阳100159；2.沈阳理工大学机械工程学院副教授，辽宁沈阳100159；3.沈阳飞机工业集团物流装备公司经济师，辽宁沈阳11003410.3969/j.issn.1673-3355.2024.01.009摘要：为了使石蜡驱动器在有限体积下具有更好的力输出特性，基于ANSYS-Fluent模块，对某活塞式石蜡驱动器的内径进行改进设计。利用正交试验法模拟四种不同内径的活塞式石蜡驱动器在受热过程中石蜡的相变过程，得到石蜡完全熔化后腔体内部压力及驱动器的输出力特性，并与初始内径石蜡驱动器的输出力进行对比。结果表明：石蜡驱动器内径为18mm时，石蜡驱动器的力输出效果最好，进而为后续石蜡驱动器的结构改进提供参考。关键词：石蜡驱动器；相变模拟；结构改进中图分类号：TH164文献标识码：A文章编号：1673-3355（2024）01-0009-05Improvement of Inner Diameter of Piston-type Paraffin Wax Actuator Based on ANSYS-Fluent MethodWu Tong,Ji Yujie,Ji AdongAbstract:In order to make the paraffin wax actuator have better output characteristics under limited volume,this paperadopts ANSYS-Fluent module in the study to improve the design of inner diameter of a certain piston-type paraffin waxactuator.Orthogonal test method is applied to simulate the phase transition of the paraffin wax during heating process of 4piston-type paraffin wax actuators with different inner diameters to obtain the internal pressure of the cavity and output forcecharacteristics of the actuator after the paraffin wax has completely melted,and have the output forces compared with theparaffin wax actuator of initial inner diameter.The results show that best output force can be obtained when the innerdiameter of the paraffin wax actuator is 18mm,which can provide reference for further structural improvement of the paraffinwax actuator.Key words:Paraffin wax actuator;phase transition simulation;structural improvement基于ANSYS-Fluent活塞式石蜡驱动器内径改进吴桐1，纪玉杰2，纪阿东328CFHI2024年 第1期（总217期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY关注石蜡相变过程中的压力变化。对此，本文基于 ANSYS 的 Fluent模块，对不同内径的石蜡驱动器中石蜡的相变过程进行数值仿真，得到石蜡完全熔化后驱动器的输出力，并进行对比分析，最终得出在石蜡填充体积相同的情况下，改变石蜡驱动器的内径可以使驱动器具有更大的输出力。1几何模型建立1.1物理模型以某活塞式石蜡驱动器为研究对象，在石蜡驱动器内腔填充石蜡，使活塞杆紧贴石蜡柱，确保中间没有间隙。采用水浴加热方式对石蜡驱动器加热。石蜡受热熔化，体积不断膨胀，驱动器腔内压力逐渐变大，推动活塞杆运动，产生输出力。石蜡驱动器整体呈圆柱形，外壳直径为30 mm，内腔直径为16 mm，填充石蜡柱的长度在17.525 mm之间，石蜡柱的直径等于石蜡驱动器 的 内 径。活 塞 杆 与 石 蜡 柱 的 接 触 面 积 为0.000 2 m2，即填充石蜡柱的体积在 3 5005 000mm3之间。通过实验测得石蜡驱动器的摩擦力为52.3 N（见图1）。1.2几何模型本文主要研究石蜡柱体积相对固定前提下，改变石蜡柱直径对石蜡驱动器输出力的影响。由于石蜡驱动器填充石蜡的体积在3 5005 000 mm3之间，所以取3 500 mm3、4 000 mm3、4 500 mm3、5 000 mm34 个 体 积 建 模。石 蜡 的 初 始 直 径 为16 mm，为方便在原始结构基础上改进，取14、16、18、20 mm4个直径值。通过比较不同直径石蜡柱完全熔化后产生压力大小，确定力输出效果较好的石蜡直径，进而改进石蜡驱动器内径。笔者给出在不同体积下，改变石蜡柱的直径对应石蜡柱的长度（见表1）。笔者用SolidWorks建立不同尺寸下石蜡驱动器的计算模型。为节省计算时间，将模型简化处理（见图2）。外部空心圆柱体为石蜡驱动器的外壳，保证各个简化模型的外壳厚度一致，内部实心圆柱体为填充的石蜡。2石蜡熔化数值仿真笔者给出整个数值仿真过程（见图3）。2.1固-液相变传热机理相变材料的熔化过程是一个物理变化过程，主要分为三个阶段：显热存储阶段相变材料的温度低于热源温度，热量通过热传导方式从热源转移到相变材料上，相变材料温度逐渐达到熔点。潜热存储阶段相变材料的温度达到熔点后，继续发生热量转移，但温度不变，吸收的热量转图1石蜡驱动器剖视图1驱动杆；2驱动器外壳；3石蜡柱；4密封尾盖；5O形圈；6活塞杆；7密封端盖图2石蜡驱动器简化模型1石蜡柱；2石蜡驱动器外壳体积（mm3）3 5003 5003 5003 5004 0004 0004 0004 0004 5004 5004 5004 5005 0005 0005 0005 000直径（mm）14161820141618201416182014161820长度（mm）22.8617.513.8311.226.122015.812.829.3922.517.7814.432.652519.7516表1石蜡柱尺寸参数表292024年 第1期（总217期）CFHI设计与计算一重技术化为熔化热能量，相变材料由固态转变为液态。第二显热存储阶段当相变材料完全转变为液态后，热量依旧持续转移，液态相变材料温度进一步升高。2.2Fluent凝固/熔化模型为了实现材料相变过程的数值模拟，采用Fluent 中的 Solidification/Melting 模型解决模糊区域的传热问题12。该模型引入液相分数变量，值的改变表示相变材料之间形态的变化情况，当=1时，相变材料为液态，当=0时，相变材料为固态，当介于0和1之间时，相变材料为固液共存状态。在求解区域中既不区分相变材料的形态，也不区分主相与次相。用温度表示为如下形式：=0TTST-TST1-TSTSTT1（1）TS为石蜡的固相线温度，Tl为石蜡的液相线温度。对单一成分的相变材料模型有Tl=TS，对于混合成分的相变材料模型有TSTl，且液相率参数满足0113。2.3前处理及求解设置将建好的模型另存为x_t格式并导入到Fluent中，采用正六面体网格进行网格划分，共划分200个单元。在求解设置模块，采用Solidification/Melting模型，选择3D分离、压力基非稳态求解器，流动方式为层流，打开能量方程，在 Y轴负向施加9.81 m/s2的重力加速度，并做出如下假设：（1）石蜡均匀分布且各向同性;（2）石蜡密度采用 Bossinesq假设，即石蜡密度为温度的线性函数;（3）熔化后的液态石蜡为牛顿不可压缩流体，流动方式为层流;（4）忽略石蜡在熔化过程中过冷度对熔点和相变潜热的影响14。石蜡驱动器采用水浴加热方式，故将驱动器外壳温度设置为60。石蜡材料选用正二十烷烃（见表2）。待分析模型Fluent模型导入ANSYS Fluent分析模型选择ANSYS Fluent材料设定ANSYS Fluent边界条件设定ANSYS Fluent求解器设定ANSYS Fluent模型初始化计算求解计算不收敛ANSYS CFD-Post后处理窗口速度分布压力分布温度分布湍动能分布分布计算收敛图3Fluent数值仿真基本流程初始温度设为20，石蜡为固态。由于壁面温度高于石蜡柱温度，石蜡柱吸收热量后温度升高，达到石蜡的液相线温度36.8 时，石蜡开始熔化。2.4正交试验设计在石蜡驱动器内径改进设计中，简化模型取3 500、4 000、4 500、5 000 mm34个体积，取14、16、18、20 mm4个直径。本文采用正交试验。由于每个因素的水平数相同，属于等水平正交试验设计，所以选用L16（43）正交试验表。2.5仿真结果分析在受热过程中，靠近驱动器外壳边缘部分的石蜡先熔化，中间部分后熔化，所以在石蜡完全熔化之前，靠近外壳部分的压力大于中间部分。石蜡完全熔化后，压力分布均匀并达到峰值，之后再无明显变化。笔者给出体积 4 000 mm3，直径 14 mm、长26.12 mm 的石蜡柱熔化过程中横截面压强变化（见图4），以及其他长度石蜡完全熔化后产生的压强（见表3）。根据压力计算公式：P=FS（2）即可计算出活塞杆所受压力和石蜡驱动器的输出力，将计算结果填入正交设计试验表中（见表4）。密度（kg/m3）760比热J(Kkg）2 130相变潜热（kJ/g）250 600固相线温度（）36.8液相线温度（）36.8动力粘度kg（ms）0.006 89导热系数W（mK）0.25表2正二十烷烃物理材料参数表30CFHI2024年 第1期（总217期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY在Origin中绘制出石蜡柱相对于一个固定体积下，驱动器输出力随石蜡柱直径变化的折线图（见图5）。可以看出，随着石蜡填充体积的增加，石蜡驱动器的输出力也随之增大。石蜡柱体积固定，改变石蜡柱的直径，石蜡驱动器的输出力也随之改变，而直径为18 mm时，石蜡驱动器的输出力最大。产生这一现象的原因可能是：石蜡熔化后产生的静液压力直接作用在活塞上，随着活塞作用面积的增大，对活塞的压力也增大，石蜡驱动器的输出力也随之增大。但在石蜡柱体积一定的条件下，增大石蜡柱直径，就会减小石蜡柱长度，而液体压强又与液面高度有关，所以压力大小并不随接触面积的增加而一直增大，超过一定限度压力就会减小。3结语本文利用ANSYS workbench的Fluent模块模拟在石蜡柱体积相对固定下，不同直径石蜡柱的相变过程，得到石蜡熔化中腔体内部压力的变化规律，结合理论计算得到石蜡驱动器的输出力。通过对比实（a）初始状态压力分布（b）求解100步压力分布（c）求解200步压力分布（d）求解完毕压力分布图4石蜡柱长度26.12 mm压强变化云图石蜡柱长度（mm）22.8626.1229.3932.6517.5020.0022.5025.00压力（MPa）0.9981.1501.3001.4300.8010.9161.0101.110石蜡柱长度（mm）13.8315.8017.7819.7511.2012.8014.4016.00压力（MPa）0.6450.7390.8300.9210.5050.5890.6520.736表3数值仿真结果序号1234214334124321体积（mm3）3 5003 5003 5003 5004 0004 0004 0004 0004 5004 5004 5004 5005 0005 0005 0005 000直径（mm）14161820141618201416182014161820空列1234214334124321输出力（N）101.19108.67111.75106.27124.57131.77135.66132.65147.64150.67158.80152.43167.72170.76181.95178.80表4输出力的因素及水平表312024年 第1期（总217期）CFHI设计与计算一重技术验，得到力输出效果最优的石蜡驱动器内径。结果表明：在石蜡熔化过程中，靠近外壳部分的压力大于中间，且随着加热时间的增加，腔体内部压强逐渐变大，石蜡完全熔化时腔内压强分布均匀且达到峰值。在石蜡柱相对固定体积下，石蜡驱动器内径为18 mm时，力输出效果更好。参考文献 1 李得伦.石蜡相变材料的传热与温控性能研究D.广州：华南理工大学，2012.2 陈兵芽,刘莹,胡敏.基于石蜡热膨胀的无缆双向微驱动器研制J.机床与液压，2006（11）：47-49 3 马庆鑫,纪玉杰.活塞式石蜡驱动器摩擦力试验研究J.一重技术，2021（06）：37-40.4 Dayong N,Zihao L,Gangda L,et al.Design and PerformanceStudy for Electrothermally Deep-Sea Drive Microunits Using aParaffin Phase Change MaterialJ.Micromachines,2021,12(4).5 陈兵芽.石蜡热力学特性及其无缆驱动器研究D.南昌:南昌大学,2008.6 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