基于浸入固體法的濕式離合器調壓閥流場數值仿真*

郭昌盛，林騰蛟，呂和生，何澤銀

(1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044;2.重慶齒輪箱有限責任公司，重慶 402263)

1 引言

調壓閥是濕式摩擦離合器液壓控制系統中的重要部件，其性能的好壞會直接影響整個液壓系統的控制效果。隨著濕式摩擦離合器向大型化發展，使用的油量快速上升，對液壓系統中各閥件的匹配性和穩定性有著較高的要求。離合器接脫排過程中，調壓閥內流道流場普遍存在氣穴、渦流和液壓沖擊等現象，可能會破壞流場的連續性，而且可能引起噪聲和沖擊，使系統無法穩定的工作。因此有必要對調壓閥閥芯運動過程中流場特性進行仿真分析。

關于液壓閥的流體動力學問題，國內外學者已做了較為深入的研究工作。Srikanth［1］、程立［2］、李惟祥［3］、Chattopadhyay［4］等采用Fluent或CFX軟件，分別研究了不同類型液壓閥流場的穩態和瞬態特性;呂和生［5］、何澤銀［6］等利用ANSYS/Flotran軟件，分析了濕式摩擦離合器二級調壓閥的內部流場，得出不同開口度下油液的壓力云圖和速度矢量圖，但該研究僅局限于流場的穩態仿真。

筆者以圖1所示的船用濕式摩擦離合器調壓閥為研究對象，借助CFX軟件對調壓閥內流道的流場進行數值仿真，研究離合器接脫排過程中調壓閥內潤滑油的壓力和速度分布情況，而后通過調壓閥的油壓試驗驗證仿真分析結果的準確性。

圖1 橢球形調壓閥的結構示意圖

2 浸入固體方法

動網格技術是解決流體瞬態仿真的重要手段，在CFX軟件中，動網格模型可用來模擬計算域形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。邊界的運動形式可分為兩類:①預先定義的運動，即可以在計算前指定流體域的速度或角速度;②預先未做定義的運動，即邊界的運動要由前一步的計算結果依次迭代得出。浸入固體法(immersed solids)屬于第一類情況，該方法不需要任何網格變形或重構，可方便的模擬出固體在流體中的任意運動。

浸入固體邊界如圖2所示。圖中填充區域表示浸入固體域表面穿透的單元(NIBG)，未填充區域表示直接和NIBG單元相鄰的單元;弧線AB為浸入固體邊界;IW為壁面內側節點;IW'為壁面內側點;IB為浸入固體邊界點;NW為靠近壁面節點;FL為流體域節點;FL'為流體域點;Δy為沿著浸入固體表面法線方向上NW節點到IB點的壁面距離［7-8］。

圖2 浸入固體邊界示意圖

浸入固體表現為一個流體方程的源項，驅動流體的速度以匹配固體的速度，源項的大小受動量源縮放因子設置的控制。浸入固體方法基本公式如下:

式中:k為湍流動能;u+為近壁速度;y*為到壁面的無量綱距離，要求不小于11.06，其中11.06是對數方程和線性方程的交界點;ν是運動黏度;κ為Karman常數，其值為0.41;C為與壁面粗糙度有關的常數;(uFNW)Tang為NW節點處流體域受迫運動速度的切向分量;(uIMSIB)Tang為浸入固體邊界上IB點處運動速度切向分量;(uFL)Tang為流體域FL節點處受迫運動速度的切向分量;(uIMSIB)Norm為浸入固體邊界上IB點處速度的法向分量，計算中可作為NW節點處流體域受迫運動速度的法向分量。

利用上述公式，可根據浸入固體域的速度得到流體域速度。

3 模型建立及計算條件設置

3.1 計算模型

根據橢球形調壓閥的結構參數，在Pro/E中分別建立調壓閥的流體域和固體域模型，而后將模型導入到ANSYS/Flotran中進行網格劃分。為提高計算精度，應盡量采用六面體單元進行劃分網格，并對模型中速度和壓力梯度較大處進行網格加密，流體域共計143 041個節點，143 994個單元，固體域共計64 621個節點，81 292個單元。圖3所示給出了調壓閥流體域和固體域的實體模型及對應的網格。

圖3 調壓閥流體域和固體域的模型及網格

3.2 計算條件設置

將上述調壓閥網格模型導入到CFX軟件中，分別設置流體域和固體域的邊界條件。

流體域的相關參數設置如下:計算模型采用RNG k-ε湍流模型，潤滑油采用CD40柴油機油，當溫度為58℃時，密度為880 kg·m-3，比熱為1 600 J·(kg·K)-1，導熱系數為0.144 W·(m·K)-1，運動粘度為43.448 mm2/s，動力粘度為0.038 23 kg·(m·s)-1。邊界條件為入口速度3.16 m/s和出口壓力0 MPa，參考壓力值取一個大氣壓值，壁面采用無滑移絕熱壁面邊界。

固體域的相關參數設置如下:設定動量源縮放因子為默認值10.0，固體域類型為Immersed Solid，運動軌跡為Specified Displacement。調壓閥初始開口度為11.24 mm時閥芯的運動軌跡如圖4所示。

圖4 調壓閥的閥芯運動軌跡

4 流場仿真與試驗結果

4.1 調壓閥流場仿真結果分析

圖5所示為離合器接脫排過程中調壓閥內流道的油壓云圖，圖5(a)～(c)分別為離合器處于接排階段、接排完成階段和脫排階段的情況。由圖5可知，接排過程中調壓閥油壓逐漸增加，脫排過程中油壓逐漸減小;油液經過調壓閥閥口后壓力明顯下降，并在閥口右側形成低壓區，極易產生空穴和氣蝕現象，誘發閥體振動并發出噪聲。

圖5 調壓閥內流道的油壓云圖

圖6給出了離合器接排完成時調壓閥流體域的流線圖。可知油液流經閥口時速度快速上升，經過閥口，一部分油液順利流向出口，另一部分油液由于出口腔流道受阻而回流，形成渦流。渦流的存在將加劇能量的損失，應盡量避免。

圖6 調壓閥內流道的流線圖

離合器接脫排過程中，調壓閥內流道油液的湍動能和湍動能耗散率分別如圖7、8所示。在其接排過程中調壓閥湍動能和湍動能耗散率逐漸增大，接排完成后趨于穩定，脫排時逐漸減小。

圖7 調壓閥內流道油液的湍動能

4.2 調壓閥入口油壓試驗

為驗證仿真結果的準確性，有必要進行調壓閥工作油壓試驗。試驗在如圖9所示的齒輪箱綜合性能試驗臺上進行，試驗臺由直流電機、萬向聯軸器、試驗齒輪箱、增速齒輪箱、水力測功器以及液壓站等組成。直流電機由控制臺進行加載;試驗負荷由水力測功器加載;測試的儀器包含溫度傳感器、壓力傳感器、流量計及油壓測試儀等。試驗時，控制齒輪箱冷卻器的進水量來保證油溫穩定在58℃。圖10為調壓閥油壓試驗和仿真結果的對比曲線，可見兩者吻合良好。

圖8 調壓閥內流道油液的湍動能耗散率

圖9 齒輪箱綜合性能試驗臺

圖10 調壓閥油壓試驗和仿真結果對比

5 結論

采用CFX軟件，對離合器接脫排過程中調壓閥內潤滑油的壓力和速度分布情況進行仿真分析，得出油液流經閥口后壓力明顯下降，并在閥口右側形成低壓區，流速迅速上升，并伴有渦流和回流現象的結論。

在齒輪箱綜合性能試驗臺上進行了調壓閥油壓試驗，試驗結果與仿真結果吻合良好，驗證了此仿真方法的準確度。

［1］ Srikanth C，Bhasker C.Flow Analysis in Valve with Moving Grids Through CFD Techniques［J］.Advances in Engineering Software，2009，40(3):193-201.

［2］ 程 立，林玉龍，劉 洋，等.基于CFD的節流閥防刺短節的流場分析［J］.機械研究與應用，2011(5):23-25.

［3］ 李惟祥，劉曉紅，鄧 斌.基于CFD的液壓錐閥動態和靜態性能研究［J］.液壓氣動與密封，2011，31(6):25-28.

［4］ Chattopadhyay H，Kundu A，Saha B K，et al.Analysis of Flow Structure Inside a Spool Type Pressure Regulating Valve［J］.Energy Conversion and Management，2012，53(1):196-204.

［5］ 呂和生.船用濕式多片摩擦離合器耦合分析及試驗研究［D］.重慶:重慶大學，2010.

［6］ 何澤銀.濕式摩擦離合器調壓閥流場仿真及結構優化［D］.重慶:重慶大學，2010.

［7］ ANSYS Inc.Release 14.0 documentation for ANSYS［Z］.USA，ANSYSInc，2011.

［8］ 謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYSCFX流體分析及仿真［M］.北京:電子工業出版社，2012.