优化减震器的设计

2016-11-15 11:32| 发布者: springsigs| 查看: 877| 评论: 2|原作者: 不详|来自: CAE技术联盟

摘要: 　　本文详细介绍了什么是流体减震器，粘性耗散热的平衡之道以及使用 COMSOL Multiphysics 模拟粘性耗散热等问题

　　流体减震器有着广泛的应用，从稳固摩天大楼到控制微流体装置中流体的流动均有涉及。通过一个称为粘性耗散热的过程，减震器将机械能消散为热能。热量过多会损坏减震器，因此在优化流体减震器的设计时，充分理解粘性耗散热的过程非常重要。
　　流体减震器是什么?
　　流体减震器(也称为粘性减震器)在工业方面有许多应用。例如用于军事设备的震动隔离，以及高层建筑和土木结构的地震减震和强风阻尼。甚至有些微流体装置要依靠流体减震器来产生热量及控制流体流动。

流体减震器(深蓝色部件)用于稳定太阳能跟踪装置。图片由 Leonard G 提供，通过 Wikimedia Commons 共享。
　　粘性耗散热 – 平衡之道
　　高粘度流体(例如油或硅基流体)常用于减震器中，这是因为流体的粘度越高，减震器耗散的力就越大。当流体减震器推动粘性流体在两个腔室之间往复运动时，减震器内就会释放粘性耗散热。这种作用以振动或振荡的形式将机械能转换为热能。
　　要优化流体减震器的工作效率，分析其中的粘性耗散热尤为重要。如果减震器中释放的热量过多，就会损坏减震器和要保护的装置或结构。让我们将目光转向 COMSOL Multiphysics 仿真平台中的传热模块和 CFD 模块，研究流体减震器的性能。
　　使用 COMSOL Multiphysics 模拟粘性耗散热

　　流体减震器的主要组件包括减震器汽缸壳、活塞杆和活塞头、腔室中的粘性流体、以及活塞头和汽缸壳内壁之间狭小的圆形空间。这个空间用作流体通道。在我们的模拟中，这些固体部件由钢质材料制成，COMSOL Multiphysics 内置的材料库中我们可以找到这种材料。

流体减震器示意图。
　　在这个仿真模型中，活塞头在气缸内部往复运动，使流体和硅油以较大的剪切速率通过小孔。这种作用产生的热量在轴向和径向上传输。在径向上，热量经汽缸壁传导并通过对流传到外部空气中。
　　我们求解 Navier-Stokes 方程来描述减震器中的流体流动。此能量方程给出了粘性耗散热过程中产生的温度场。这些方程可以在 COMSOL Multiphysics 的非等温流接口和共轭传热接口中找到。

　　仿真结果显示了减震器内的温度：

探针温度与时间的关系函数(左图)以及加载 10 秒(蓝色曲线)和 40 秒(绿色曲线)后的内壁温度(右图)。

　　上述结果与实验数据非常吻合。通过仿真软件，我们可以有效地分析流体减震器中的粘性耗散热，从而优化各行各业中结构和设备的设计，使其更安全更有效。

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