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真空 ›› 2026, Vol. 63 ›› Issue (3): 104-110.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2026.03.15

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流体介质作用下新制三偏心真空蝶阀阀体动态失稳临界载荷分析

付炎杰, 闵林锋   

  1. 温州职业技术学院, 浙江 温州 325207
  • 收稿日期:2025-08-12 出版日期:2026-05-25 发布日期:2026-06-01
  • 通讯作者: 闵林锋,讲师。
  • 作者简介:付炎杰(1981-),男,汉,浙江余姚人,本科,讲师。

Critical Load Analysis of Dynamic Instability of Valve Body for a Newly Made Three Eccentric Vacuum Butterfly Valve Under the Action of Fluid Medium

FU Yanjie, MIN Linfeng   

  1. Wenzhou Vocational and Technical College, Wenzhou, 325003, China
  • Received:2025-08-12 Online:2026-05-25 Published:2026-06-01

摘要: 在真空系统中介质压力脉动与阀板开度的动态耦合会严重威胁系统的真空密封性,加剧阀体的应力分布不均匀及变形,进而降低阀体的失稳载荷。因此,文章分析了流体介质作用下新制三偏心真空蝶阀阀体动态失稳临界载荷。基于ANSYS Workbench平台,建立三维参数化模型,进行真空/低压流体介质(150℃水蒸气,克努森数范围0.003~0.1,滑移流区)非定常流动与阀体结构间的双向流固耦合(FSI)计算。在流体域中,采用k-ω SST湍流模型精确模拟复杂流动特性,计算流体作用力分布。在结构域中,基于弧长法进行几何非线性屈曲分析,精准捕捉阀体在流体作用力下的失稳行为,绘制位移-载荷曲线,确定介质压力脉动与阀板开度动态耦合下的失稳临界载荷。结果表明:300 Hz介质压力脉动与阀板90°开度耦合工况下,阀体动态失稳临界载荷最低,仅为3×103 Pa,失稳风险最高,容易导致密封失效和真空度破坏。

关键词: 真空密封, 新制三偏心真空蝶阀, 最大失稳载荷, k-ω SST湍流模型, 弧长法

Abstract: The dynamic coupling effect of medium pressure pulsation and valve plate opening in vacuum systems seriously threatens the vacuum sealing integrity of the system, exacerbates the uneven stress distribution and deformation of the valve body, and thereby affects the instability load of the valve body. Therefore, the critical load of dynamic instability of the newly made three eccentric vacuum butterfly valve body is analyzed under the action of fluid medium. Based on the ANSYS Workbench platform, a three-dimensional parametric model is established to perform bidirectional fluid structure coupling (FSI) calculations between the unsteady flow of vacuum/low-pressure fluid medium (150℃ water vapor, Knudsen number 0.003-0.1, slip flow zone) and the valve body structure. In the fluid domain, the k-ω SST turbulence model is used to accurately simulate complex flow characteristics and calculate the distribution of fluid forces. In the structural domain, geometric nonlinear buckling analysis is performed based on the arc length method to accurately capture the instability behavior of the valve body under fluid forces, draw displacement load curves, and determine the critical load of instability under the dynamic coupling of medium pressure pulsation and valve plate opening. The results show that, under the dynamic coupling condition of 300 Hz medium pressure pulsation and valve plate 90° opening, the critical load for dynamic instability of the valve body is the worst, only 3×103 Pa, and the risk of instability is the highest, which can easily lead to seal failure and vacuum degree damage.

Key words: vacuum sealing, triple eccentric vacuum butterfly valve, maximum unstable load, k-ω SST turbulence model, arc-length method

中图分类号:  TP53.27

[1] 余鑫,师建元,郑晓东,等.暂冲式高速风洞中大口径蝶阀的设计与应用[J].兵工自动化,2025,44(5):23-27.
[2] 高普阳,胡小林.非牛顿流固耦合问题的半隐式分区ALE有限元-间断有限元耦合算法研究[J].浙江大学学报(理学版),2024,51(4):450-458.
[3] 朱昕辰,蔡鑫伟,严微微,等.Squirmer在方腔流中受限行为的数值模拟研究[J].力学季刊,2025,46(2):429-445.
[4] 张金,戚志刚,张磊.钢纤维混凝土冲击破坏特性GDEM软件模拟[J].应用数学和力学,2025,46(5):621-632.
[5] 魏继锋,李新菊,吉耿杰,等.Q355ND钢静动态力学行为与Johnson-Cook本构参数拟合[J].北京理工大学学报,2025,45(5):437-443.
[6] 李哲,洪志辉,涂玲,等.全位移视觉机器人实训平台设计[J].电子设计工程,2023,31(3):28-32,37.
[7] 余瑞明,马云艳,池伟,等.全金属硬密封双向零泄漏三偏心蝶阀设计与分析[J].工程设计学报,2024,31(4):511-520.
[8] 朱兰馨,蔡振威,王炜哲.基于流-热-固单向耦合计算的LNG船用蝶阀流动及结构改进设计[J].热能动力工程,2024,39(4):122-130.
[9] 朱志颖,于洪杰,朱国栋,等.管壳式换热器管束有限元模拟合理性研究及失稳分析[J].压力容器,2024,41(9):39-47.
[10] 蒙博斌,马海鹏,田帅,等.基于有限元方法的铁塔结构虚拟仿真分析试验[J].实验技术与管理,2023,40(11):116-122.
[11] 赵广迪,臧喜民,王博,等.B对A514Gr.Q齿条钢淬透性影响的数值模拟及实验验证[J].材料热处理学报,2025,46(6):179-189.
[12] 张鹏程,郑少锋,王权民,等.钢筋桁架混凝土梁弯剪性能数值模拟研究[J].建筑科学与工程学报,2025,42(3):37-47.
[13] 李波,韩文,韩顺,等.300M钢起落架作动筒挤压成形数值模拟[J].锻压技术,2025,50(5):165-172.
[14] 张仁杰,陈露阳,曾云,等.偏大流量工况下离心泵叶轮空化流动特性数值模拟[J].水力发电学报,2025,44(5):10-21.
[15] 邓嘉隆,郑俊杰,郑烨炜.筋材蠕变特性对加筋土桥台力学行为影响的数值模拟研究[J].中国科学:技术科学,2025,55(6):1055-1066.
[16] 邓金睿,蒋华全,柳扬,等.天然气井口节流阀数值模拟研究[J].石油化工,2025,54(5):653-662.
[17] 任然,冯美艳,陈俊杰,等.大容量海上风电塔筒纵焊残余应力和变形的数值模拟[J].精密成形工程,2025,17(5):207-219.
[18] 孔令轩,宋文艳.超声速二次喉道扩压器流动特性的数值模拟[J].电子设计工程,2014,22(21):48-51.
[19] 李彦峰,孟龙,王凯,等.基于导流板结构的再热调节蝶阀在小开度工况下内部噪声特性数值模拟研究[J].汽轮机技术,2025,67(2):119-122.
[20] SELVARAJU V, VELAN D S, KUMAR S D.Numerical analysis on lateral torsional buckling strength characteristics of parallel flange steel beams due to geometric imperfections[J].International Journal of Vehicle Structures & Systems (Ijvss), 2024, 16(6):887-890.
[21] BACAK A, PNARBA A, DALKL A S.A 3-D fsi simulation for the performance prediction and valve dynamic analysis of a hermetic reciprocating compressor[J].International Journal of Refrigeration, 2023,150(6):135-148.
[22] KIM M S, SEONG H S, YANG J H, et al.Fluid flow and effect of turbulence model on large-sized triple-offset butterfly valve[J].Journal of Applied Fluid Mechanics, 2023, 16(12):2364-2380.
[23] ZHAO J, YIN H, TANG Z, et al.Numerical analysis of erosion characteristics of three eccentric butterfly valves based on CFD[J].The European Physical Journal Plus, 2024, 139(8):1-16.
[24] GE G Y, XIAO Y K, DU Z C.Real-time compensation strategy for clamping force-induced error in face milling of mass-produced valve bodies[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 127:2465-2474.
[25] 谢小雨, 李睿, 崔又文, 等.基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波与拱式桥架组合结构动力响应分析[J].应用力学学报, 2024, 41(2):466-476.
[26] 费根胜,温航,黄刚.基于流固耦合的全封闭往复式压缩机数值仿真及吸气舌簧阀的优化[J].机械设计, 2024, 41(2):123-132.
[1] 潘欣. 负压环境下的超声波泄漏检测与真空驱动原位密封技术研究[J]. 真空, 2026, 63(3): 62-68.
[2] 佟朋, 程刚. 真空条件下矿用链轮微尺度泄漏机制分析与密封关键参数优化[J]. 真空, 2026, 63(1): 66-73.
[3] 周位伟, 刘诗梅, 郝娇山, 张黎, 周枭, 王佩东. 制氦装置应用三偏心真空蝶阀密封圈的探索*[J]. 真空, 2024, 61(6): 48-53.
[4] 冯智猛, 刘海静, 王飞, 李灿伦, 乔宏, 景加荣. 空间环模设备O型橡胶密封圈设计计算[J]. 真空, 2023, 60(2): 57-62.
[5] 任琪琛, 孙志和, 王沛, 胡居利, 卢毛磊, 黄倩. O形橡胶圈真空密封性能有限元分析[J]. 真空, 2021, 58(5): 37-41.
[6] 马义刚, 李智慧. 超高真空和高真空技术的应用[J]. 真空, 2021, 58(4): 98-102.
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[1] 周彬彬, 张 建, 何剑锋, 董长昆. 基于 CVD 直接生长法的碳纳米管场发射阴极[J]. 真空, 2018, 55(5): 10 -14 .
[2] 柴晓彤, 汪 亮, 王永庆, 刘明昆, 刘星洲, 干蜀毅. 基于 STM32F103 单片机的单泵运行参数数据采集系统[J]. 真空, 2018, 55(5): 15 -18 .
[3] 徐法俭, 王海雷, 赵彩霞, 黄志婷. 化学气体真空 - 压缩回收系统在环境工程中应用研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 29 -33 .
[4] 常振东, 牟仁德, 何利民, 黄光宏, 李建平. EB-PVD 制备热障涂层的反射光谱特性研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 46 -50 .
[5] 冉 彪, 李刘合. 阳极层离子源的发展及应用[J]. 真空, 2018, 55(5): 51 -57 .
[6] 武 越, 鄂东梅, 杜 鹏, 郭子寅, 陈时雨, 王 晶 . 航天器密封舱连接处漏率检测方法[J]. 真空, 2018, 55(6): 1 -4 .
[7] 郭崇武, 孙立臣, 孙立志, 齐飞飞, 李文斌. 单 O 型圈密封结构中双层密封泄漏机理研究[J]. 真空, 2018, 55(6): 19 -23 .
[8] 谢元华, 韩 进, 张志军, 徐成海. 真空输送的现状与发展趋势探讨(六)[J]. 真空, 2018, 55(6): 28 -32 .
[9] 郁欢强, 张俊峰, 丁怀况. 基于减压降温原理的过冷液氮冷却系统研制[J]. 真空, 2018, 55(6): 33 -36 .
[10] 骆 伟. 凝汽器真空系统节能改造应用与分析[J]. 真空, 2018, 55(6): 37 -41 .