基于Fluent的直動式純水溢流閥內(nèi)部流場建模與仿真分析

譚宗柒 葉惠軍 周玉瓊 朱華玲 居績峰

（三峽大學 機械與材料學院，湖北 宜昌 443002）

純水液壓技術(shù)是以天然淡水、海水或自來水代替礦物油作為液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)的新技術(shù)，它具有環(huán)境友好、阻燃性、安全性好等特點，同時有利于提高綠色意識.但是，由于水的潤滑性很差、腐蝕性較強、密度和彈性模量大、汽化壓力高，使得純水液壓傳動面臨著許多關(guān)鍵技術(shù)問題，如磨損、腐蝕、振動和噪聲、氣蝕等.直動式純水液壓溢流閥是純水液壓系統(tǒng)中重要的壓力控制元件，主要在系統(tǒng)中用作調(diào)節(jié)壓力等.要改善或克服上述問題，不僅要從材料上著手，更要注重對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.因此，對閥體內(nèi)部流場的研究具有十分重要的意義.

1 溢流閥工作原理

直動式溢流閥主要由閥芯、閥座、調(diào)壓彈簧、調(diào)壓手輪、閥體等部件組成，閥體上開有進水口和出水口，如圖1所示.被控進口壓力的工作介質(zhì)直接作用在閥芯上，閥芯在調(diào)壓彈簧的作用下，壓緊在閥座孔上，閥口關(guān)閉.調(diào)節(jié)調(diào)壓手輪，改變調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量，就可以設(shè)定水壓溢流閥的工作壓力［1].

圖1 直動式純水溢流閥結(jié)構(gòu)圖

溢流閥工作時，進水口接在液壓泵的出口，出水口接回水箱.當液壓泵的出口壓力進入溢流閥，閥體內(nèi)將充滿液體.若作用在閥芯上的液壓力小于彈簧的預(yù)壓緊力，閥芯被壓在閥座上，閥口關(guān)閉；當作用在閥芯上的液壓力升高到大于調(diào)壓彈簧力時，閥芯將離開閥座，開啟閥口，閥體內(nèi)的液體經(jīng)出水口流回水箱.

2 溢流閥仿真模型

純水溢流閥閥內(nèi)流場的研究以流體在閥中流動的運動學和動力學規(guī)律為基礎(chǔ).Fluent軟件是CFD工程應(yīng)用軟件，它針對每一種流動物理問題的特點，采用適合的數(shù)值解法使之在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳.

2.1 模型簡化

流體在閥內(nèi)的實際流動是非常復(fù)雜的三維流動，為了滿足數(shù)值解析的可行性，考慮到流動特性及硬件方面的限制，需要對實際模型進行一定的簡化，如圖2所示.

圖2 直動式純水溢流閥結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)錐閥內(nèi)部流動的對稱性原理，在建模過程中只取流動區(qū)域的一半作為計算對象.同時，影響流體流動的因素很多，在分析問題允許的計算誤差范圍內(nèi)，忽略次要因素，對實際模型做下列的一些基本假定：錐閥閥芯與閥套配合精確、沒有徑向間隙，無泄漏；水為不可壓縮流體，在閥體內(nèi)部做定常流動；不計重力的影響；內(nèi)部無熱傳導(dǎo)現(xiàn)象；單向流［2].

2.2 建立模型

如圖3所示，閥的過流直徑D2＝12mm，閥的通徑D0＝5mm，取閥口開度x＝1mm，半錐角α＝45°.根據(jù)錐閥內(nèi)流動對稱性原理，只取流動區(qū)域的一半作為計算對象［3].

圖3 直動式純水溢流閥模型

使用Fluent軟件的前處理程序Gambit按圖3建立錐閥的CFD模型，并進行網(wǎng)格的劃分.選擇Spacing將其設(shè)置為0.1mm對流動區(qū)域進行細化處理，如圖4所示［4].

圖4 模型網(wǎng)格劃分

2.3 模型仿真

設(shè)定入口壓力3MPa，出口壓力0.1MPa，純水的主要物理參數(shù)見表1.通過對模型進行CFD數(shù)值分析，獲得錐閥內(nèi)部流場的壓力分布、速度矢量分布、紊流動能分布及能量耗散分布，分別如圖5～8所示.

表1 純水的主要物理參數(shù)

由圖5可以看出，閥的進口處壓力分布最密，閥內(nèi)壓力的降低主要發(fā)生在閥口；閥座和閥芯拐角處的負壓值比較低，表明水壓錐閥會產(chǎn)生嚴重的氣蝕腐蝕.

由圖6可以看出，水在流過錐閥閥口時，流動速度有大幅度的增加.水流進入閥體后，主要形成兩部分：一部分作為主流流出閥體；另一部分出現(xiàn)與壁面脫離的現(xiàn)象，在貼近壁面處的速度較低，在閥座拐角處下方形成了一個十分明顯的渦流.

從圖7、圖8可以看出，紊流動能和能量耗散分布主要在閥口處比較密集；在閥口處下游紊流動能最大；能量的損失耗散一部分在閥口，另一部分從流動方向看，對壁面的耗散最大.

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過上述分析可知，閥座及閥芯拐角處氣蝕嚴重，故將閥座拐角處倒角、閥芯拐角處倒圓，以觀察對氣蝕的影響.圖9～12分別為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的壓力分布、速度矢量分布、紊流動能分布及能量耗散分布圖.其中倒角大小為1mm，圓角半徑為3mm.

在同樣的入口壓力3MPa、出口壓力0.1MPa、閥口開度1mm和半錐角α＝45°的條件下，錐閥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化前后相比較，具體數(shù)值分析見表2.最大流動速度減小，閥體內(nèi)拐角處下方的渦流現(xiàn)象明顯消減了，對壁面的沖擊基本消失了；其最小負壓值提高了，閥口處的氣蝕現(xiàn)象明顯降低；能量耗散率減小，即局部損失的能量變小了.

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后內(nèi)部流場參數(shù)比較

3 結(jié) 論

1）分析了純水直動式溢流水動態(tài)過程中的內(nèi)部流場，繪制了壓力分布、速度矢量分布、紊流動能分布及能量耗散分布圖，負壓的形成是產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象的直接原因.

2）閥座拐角、閥芯拐角處負壓值較高，流動速度較大，紊流動能分布及能量耗散分布比較密集，因此氣蝕的現(xiàn)象較為嚴重.

3）從結(jié)構(gòu)上提出了優(yōu)化方案，優(yōu)化后閥口內(nèi)部流場最小負壓，最大流速，最大紊流動能，最大耗散率都大幅降低，閥體內(nèi)部氣蝕現(xiàn)象明顯減弱.

［1]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)［M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［2]王福軍.計算流體動力學分析［M].北京：清華大學出版社，2004：120－123.

［3]弓永軍.純水液壓控制閥關(guān)鍵技術(shù)研究［D].浙江：浙江大學，2005.

［4]張功暉，胡錫勝，周志鴻，等.基于Fluent的閥門開啟過程閥芯氣動力仿真研究［J].液壓氣動與密封，2011（3）：13－21.