基于CFD的出口節(jié)流式滑閥內(nèi)部流場的可視化研究

摘要在利用CFD軟件Fluent對電磁換向閥中的液壓滑閥內(nèi)部流場進行分析前提下，采用標準紊流模型模擬了內(nèi)部流體的流動狀態(tài)及漩渦的產(chǎn)生區(qū)域，并對其穩(wěn)態(tài)液動力進行了分析，其結(jié)論為了解閥芯受力及流道結(jié)構優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

中圖分類號:TH13文獻標識碼:A

0 引言

液壓滑閥是液壓傳動與控制技術中非常重要的基礎元件，其作用是控制流體的流動方向及流量大小。本文利用CFD軟件Fluent對液壓滑閥內(nèi)部流場進行了分析研究。在液壓滑閥節(jié)流口處由于液流動量(流速大小和方向)發(fā)生變化，將有穩(wěn)態(tài)液動力作用在閥芯上，而液動力產(chǎn)生的能量損失會影響到閥芯的受力，通過對滑閥內(nèi)部流場的可視化研究，可以了解到流體經(jīng)過閥芯內(nèi)部區(qū)域時所產(chǎn)生的壓力分布，從壓力分布上可以清楚的了解閥芯受力的原因。因此本文采用標準紊流模型模擬了內(nèi)部流體的流動狀態(tài)及漩渦的產(chǎn)生區(qū)域，并對其穩(wěn)態(tài)液動力進行了分析，其結(jié)論為了解閥芯受力和閥內(nèi)流道結(jié)構優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

流體流動所遵循的物理定律是建立流體運動基本方程組的依據(jù)，①描述閥體內(nèi)部流場的控制方程主要包括流量連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型方程。其控制方程如下:

流量連續(xù)性方程div U = 0，即 +(1)

動量守恒方程

( + u + v + w)

=+ (u + v + w) + Fx(2)

( + u + v + w)

=+ (u + v + w) + Fy(3)

( + u + v + w)

=+ (u + v + w) + Fz(4)

模型采用標準k - 模型

標準k - 模型的湍動能k和耗散率方程為如下形式:

(5)

(6)

t = c (7)

其中，k為湍動能;為湍流耗散率;t 為湍流粘性系數(shù)。

在計算過程中，取C1 = 1.44，C2 = 1.92，C3 = 0.99，k = 1.0，g = 1.3。

2 可視化研究對象模型

為了盡可能使流道內(nèi)流體的流動狀態(tài)及漩渦所產(chǎn)生的區(qū)域接近真實性，液壓滑閥的模型必須體現(xiàn)滑閥內(nèi)流道的真實結(jié)構。通過分析流體在滑閥流道內(nèi)的流動狀態(tài)，建立了力學模型，從而建立起了描述力學模型的數(shù)學方程組，采用合理的假設和簡化后，計算機能夠更為快速和準確的計算，便于用目前的數(shù)學工具和方法解決問題。出口式節(jié)流閥滑閥的三維幾何模型是建立在給定幾何參數(shù)的條件下的，在建立滑閥三維模型的過程中盡量做到真實反映滑閥內(nèi)部結(jié)構情況，為流體在滑閥流道內(nèi)的流動狀態(tài)的可靠模擬和計算奠定了基礎。文中建立的滑閥幾何模型是中心面對稱結(jié)構，故依據(jù)對稱性的要求，采用了滑閥三維幾何模型流的一半進行仿真計算和結(jié)果分析，此結(jié)構的簡化不但節(jié)省了計算機的內(nèi)存，而且加快了計算機的計算時間。

圖1出口式節(jié)流閥滑閥結(jié)構示意圖

圖2開口為0.5mm時的計算模型圖

2.1 計算模型選取

圖1為出口式節(jié)流閥滑閥結(jié)構示意圖，圖2為滑閥閥芯開口量為0.5mm時的計算模型圖。

2.2 邊界條件的設定和計算過程

在Gambit中將幾何模型處理結(jié)束后，將其導入到求解器Fluent 中進行求解。在Fluent 中，為前處理的幾何模型選擇求解器、設置材料特性、設置邊界條件和初始化等。這里計算條件為:流體為不可壓縮、恒定的牛頓流體;流體與壁面接觸的邊界為靜止無滑移壁面;進口邊界條件取為速度入口，出口邊界條件取為壓力出口;計算模型采用標準模型。流場仿真的主要參數(shù):入口速度取6m/s，出口壓力0.2MPa，油液密度889kg/m3，動力粘度29mm2/s，閥口開度單位為mm，迭代次數(shù)100。迭代求解。當閥的開口為0.5mm時，液壓滑閥內(nèi)部流體的跡線圖如圖3所示。

在上述計算條件及設定仿真參數(shù)值的情況下，采用了Fluent軟件對該閥體內(nèi)部流場進行了分析研究，由此可以得該閥體內(nèi)部流場的壓力分布，進而可對閥芯壁面的壓力分布情況和閥芯所受穩(wěn)態(tài)軸向液動力的情況進行深入探索和研究。

圖3滑閥內(nèi)部流體跡線圖

圖4滑閥內(nèi)部流體的速度矢量圖

圖5滑閥內(nèi)部流體的湍流動能分布圖

圖6滑閥內(nèi)部流體的壓力分布圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 滑閥內(nèi)部流場狀態(tài)分析

從圖4和圖5可以明顯的看出，在出口節(jié)流式滑閥中，渦流出現(xiàn)在了該閥體閥腔出口節(jié)流處的左上角的部分區(qū)域。在相同的條件下，通過對速度矢量圖和湍流動能分布圖的比較可以看出，渦流出現(xiàn)的區(qū)域與圖5湍流動能圖中能量損失的區(qū)域在同一個區(qū)域，這就說明能量損失的分布區(qū)域和渦流的大小之間存在著密切的相應關系，從圖中可以很直觀的看出:渦流越大，流體在閥道內(nèi)流動時的能量損失也就越大。在滑閥的實際使用過程中，流體在滑閥閥腔內(nèi)的流動狀況是極其復雜的，流體從入油口進入滑閥閥腔后，在拐角處或者流道直徑突變的地方會出現(xiàn)明顯的漩渦，也就是流體在閥體的流道內(nèi)流動的時候，當碰到閥芯壁面的時候就會形成渦流，流體的能量由此損失。此外，較強的渦流和負壓區(qū)一般會出現(xiàn)在滑閥節(jié)流口到出口處的區(qū)域內(nèi)，這樣可能導致氣穴的出現(xiàn)。從圖6所示可以得出，當流體從該閥體節(jié)流口流出的時候，內(nèi)部流體的壓力值會隨之發(fā)生變化，壓力梯度在該閥體節(jié)流口處的變化是最大的，壓力值下降幅度比較明顯，由以上分析可知，滑閥內(nèi)的壓力降主要集中在節(jié)流口處。②③

3.2 穩(wěn)態(tài)液動力分析

穩(wěn)態(tài)液動力是指控制閥口開口量一定時，由于流經(jīng)各閥口和閥腔的液流截面積及方向的改變而引起液流速度的改變，導致液流動量變化而產(chǎn)生的液動力。④它可以分解為軸向分力和徑向分力。由動量定理可以得到該滑閥閥腔內(nèi)的流體對其閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力的軸向分量計算公式為:

F = - (QV2 cos2 - QV1 cos1)(8)

其中，F(xiàn)為穩(wěn)態(tài)液動力;為液體密度;Q為流體流量;v1為流體入口速度;v2為流體出口速度;1為入口射流角;2為出口射流角。

通過分析閥芯端面受力情況，得出了穩(wěn)態(tài)液動力是如何產(chǎn)生的，并進一步得出了此力的大小和方向，由此可以得知液動力產(chǎn)生的主要原因是由于液壓閥閥口處流體的速度的變化導致閥芯端面壓力分布的變化，從而在閥體的軸向方向產(chǎn)生了一個附加的穩(wěn)態(tài)液動力。隨著閥芯開口量的變大，該閥閥體內(nèi)部的壓力和閥芯壁面受到的壓力差值都在不斷減小，也就是說文中所研究的該滑閥閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動力是在逐漸變小的。根據(jù)穩(wěn)態(tài)液動力的變化趨勢可以得知，當該滑閥的閥芯開口量不變的時候，流量越大，該滑閥閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動力也就越大;當流量為恒定值的時候，該滑閥的閥芯開口量越大，閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動力就會不斷減小，當開口到達一定程度后，閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動力基本趨于穩(wěn)定，流量對其影響減弱。通過仿真可知，當流量一定時，在開口量為0.5~1.5 mm之間時穩(wěn)態(tài)液動力的計算值和仿真值最為接近，即此時誤差相對較小。圖7為不同流量和開口量時穩(wěn)態(tài)液動力的計算值和仿真值對比圖，圖7中顯示了在不同流量和開口量時閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動力的理論值和仿真值。其中負值表示該力的方向與該出口節(jié)流式滑閥閥口關閉的方向一致。

圖7不同流量和開口量時穩(wěn)態(tài)液動力的計算值和仿真值對比圖

4 結(jié)論

通過對電磁換向閥中的液壓滑閥進行可視化研究，認識到了閥體內(nèi)部流體的流動狀態(tài)及漩渦產(chǎn)生的區(qū)域，對閥芯壁面壓力分布的研究，有助于得到閥芯的受力原因。因為流體在滑閥流道內(nèi)流動的不對稱性，導致閥桿上存在著徑向不平衡力。隨著該滑閥閥芯開口度逐漸增大，閥腔內(nèi)部的壓力和閥芯壁面受到的壓力都在逐漸變小，其兩者的差值也在逐漸變小，即閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動力在逐漸變小。本文對電磁換向閥中滑閥內(nèi)部流體狀態(tài)及受到的穩(wěn)態(tài)液動力進行了可視化分析，所得的結(jié)論為閥的設計和結(jié)構性能優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

注釋

①江帆，黃鵬.Fluent高級應用與實例分析[M].清華大學出版社.

②趙蕾，權龍.閥芯運動過程液壓滑閥內(nèi)部流場的CFD計算[D].太原理工大學碩士學位論文，2008.6.

③袁冰，于蘭英，柯堅等.液壓滑閥閥芯旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的CFD解析[J].機床與液壓，2006(3):131-134.

④湯志勇，曹秉剛.液壓控制閥穩(wěn)態(tài)液動力補償方法的探討:閥套運動法[J].機床與液壓，1995(2):91- 95.