基于Fluent的滑閥閥口流動特性仿真分析

張青蘭，王玉柱

（中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

基于Fluent的滑閥閥口流動特性仿真分析

張青蘭，王玉柱

（中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

運用流場仿真軟件Fluent對滑閥閥口流道進行了流動特性的仿真分析，研究了不同沉割槽尺寸、開度下的壓力分布截面圖、速度分布截面圖和三維流線圖，以減小閥口在啟、閉過程中的不利影響因素。

控制滑閥；流動特性；仿真分析；Fluent

0 引言

隨著科學技術的迅速發展及工業水平的提高，對液壓系統的性能要求越來越高，從而對液壓元件的設計、制造也提出了更高要求。滑閥是換向閥常用的形式，閥口的結構及開口量決定了閥內流體的流動情況，對閥的流量特性、沖擊及噪聲有重要影響。由于實際使用的滑閥結構和尺寸多種多樣，液流在滑閥中的流動狀態無法觀測，而通過試驗對影響液流流態的各種因素進行全面研究十分困難[1-2]。目前，在液壓元件的分析與設計中，廣泛采用仿真軟件來分析流場的流動特性，以便對產品進行優化設計，以改進工作性能[3-4]。

采用計算流體動力學（CFD）方法，基于Fluent 軟件，研究滑閥的流動特性，得到閥內流體的速度、壓力分布，閥口流量特性以及閥芯受力等結果，為深入了解滑閥的工作機理，對結構進行優化設計具有重要意義。同時，應用計算機仿真，可使設計者將更多的時間用于分析、優化設計方案，提高設計質量，降低成本，縮短研究周期，提高設計效率。

運用流場仿真軟件 Fluent對滑閥閥口流道進行了流動特性的仿真分析，研究不同沉割槽尺寸、開度下的壓力分布截面圖、速度分布截面圖和三維流線圖，以減小閥口在啟、閉過程中的不利影響因素。

1 流體流動的基本控制方程

1.1 連續性方程

在流場中任取一封閉的空間為控制體，其表面為控制面。流體通過控制面A1流入控制體，同時也會通過另一控制面A2流出控制體，控制體內部的流體質量會發生變化。按照質量守恒定律，單位時間內流入控制體內的質量與流出的質量之差，等于控制體內部流體質量的增量。按照這一定律，可導出流體流動的連續性方程：

對不可壓縮流體，則有：

1.2 動量守恒方程

動量守恒方程是動量守恒原理在流體運動中的表現形式，該定律可表述為：控制體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。對粘性為常數的不可壓縮牛頓流體，動量方程在慣性參考系下的描述為：

1.3 湍流基本方程

對于圓管內流動，定義Reynolds數為：

當Re<2300時，管流為層流；當Re≥2300時，管流為湍流。根據式（6）計算可知，滑閥內的雷諾數約為7000～8000，因此油液在滑閥內的流動狀態主要是湍流，故采用湍流方程進行計算。

1.4 RNG k-ε模型

1）RNG k-ε模型k方程和ε方程

RNG k-ε模型是由Yakhot和Orzag提出的，模型中的常數與標準的k-ε模型不同，而且方程中也出現了新的函數或選項。其湍動能與耗散率方程與標準k-ε模型有相似的形：

式中：Gk是平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb是用于浮力影響引起的湍動能產生項，對不可壓縮流體，Gb=0；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總散耗率的影響，這些參數與標準 k-ε模型中相同；αk和 αt分別是湍動能k和耗散率ε的有效普朗特數的倒數。

2）模擬有效粘度

湍流粘性系數計算公式為：

對上面方程積分，可精確得到有效雷諾數對湍流的影響，這有助于處理低雷諾數和近壁流動問題的模擬。對于高雷諾數，上面方程可給出：

式中：Cμ=0.0845，結果和標準 k-ε模型的半經驗推導給出的常數Cμ=0.09非常接近。

1.5 近壁區域模擬

標準k-ε模型和RNG k-ε模型均是高雷諾數的湍流模型，針對充分發展的湍流才有效。而近壁區域的流動湍流發展不充分，特別是在粘性底層，流動幾乎是層流，這樣一來就不能使用RNG k-ε模型，必須采取特殊的處理。目前，解決這一問題的方法有兩種，一是用一組半經驗的公式(壁面函數)將壁面上的物理量與湍流核心區域內的相應物理量聯系起來，這就是壁面函數法。另一種途徑是采用低雷諾數的k-ε模型來求解粘性影響比較明顯的區域，這時要求在壁面區劃分比較細密的網格，越靠近壁面網格越細。這里采用標準壁面函數法。

標準壁面函數是基于Launder和Spalding提出的理論，現已廣泛應用于工業流體中，其平均速度分布為：

式中：K為馮卡門常數，k=0.42；E為經驗常數，E=9.81；Up為流體在P點的平均速度；kp為P點的湍動能；yp為從P點到壁面的距離；μ為流體動力粘度，對數率平均速度關系式適用于y*>30～60。但上式在y*>11.225就可以使用。當連接壁面的網格使得y*<11.225，應用層流應力應變關系式：

2 閥口建模及網格劃分

為建立合適的 Fluent仿真模型，首先利用專業的三維設計軟件 Pro/E建立滑閥閥口流場的三維立體模型，主要以流過滑閥P口和A口及節流口處的流體作為分析模型，采用優化后的結構，其閥口通徑為52mm，閥桿為40mm，閥芯外徑為60mm，最大開度為8mm，繪制后的流場三維圖如圖1所示。

圖1 閥口三維流場圖

將流場的幾何模型導入 GAMBIT后，初始的網格模型由GAMBIT來生成，網格采用四面體單元來生成，網格劃分結果如圖2(a)所示。劃分后，整個網格模型包括 820000個四面體單元。這些四面體單元體積大小不一，體積最大的為1.56×10-9m3，體積最小的為6.38×10-12m3。其中壁面的速度梯度和閥口附近區域的速度梯度及靜態壓力梯度比較大。因此，壁面及閥口附近的初始網格劃分比較細致，運用Fluent的自適應功能和局部細化功能對初始網格進行了細化處理，以期獲得更好的求解精度。圖2(a)為閥口開度為8mm時的網格劃分示意圖，圖2(b)為用于網格質量檢查的切片圖。

圖2 流場的網格劃分及切片檢查

3 閥口流場特性仿真分析

3.1 邊界條件設置

設置該大流量滑閥閥口流場的邊界條件時，需要結合滑閥的使用環境，這里將邊界條件定義為速度入口和壓力出口，滑閥開度為8mm時，通過閥口的流量為1400L/min，入口壓力為17MPa，通過薄壁節流小孔計算公式，得到其入口速度為8m/s，出口壓力為16MPa。對于流場介質，20℃時水-乙二醇的密度為1060kg/m3。仿真過程沒有考慮流體之間的熱量交換，即壁面絕熱。

3.2 仿真結果

圖3是滑閥沉割槽分別為φ85mm和φ94mm時閥口流場的壓力分布截面圖。可看出，滑閥中最高壓力出現在P口一側，最低壓力出現在A口一側，壓力損失主要集中在閥口的8mm開度環形節流口處。以閥芯中心線為軸，流場在幾何上是中心對稱的，但是越靠近閥口的壓力越高，環狀流場上部壓力的減小與油液的流動方向以及油液的自重有關。在節流口右側靠近閥桿的地方有一處壓力比周圍高 0.6～0.7MPa，這是經過節流口的高流速油液沖擊的結果，閥桿在該處容易發生沖蝕而影響強度，在閥桿加工時應該注意該處的表面質量。

圖3 壓力分布截面圖(Pa)

比較圖3(a)、(b)可看出，采用直徑為94mm的沉割槽時，最高壓力降低了0.5MPa，而且沒有產生油液擴散的現象。

圖4為閥口流場的速度分布截面圖，最高流速均出現在環形節流口處，在閥芯右側壁面均存在一個低速流動區域，會有漩渦出現，所以該處要加工合適的圓角。P口速度較為均勻，A口右側油液比左側油液速度高。圖4(b)中閥口的最高流速比圖4 (a)的低9.5m/s，且比A口流速要均勻。

圖4 速度分布截面圖(m/s)

圖5是閥口流場的三維流線圖，流線的切線方向即為流場速度的方向。對比圖5(a)、(b)可知，前者在A口流線有纏繞現象，所以該處流場速度不穩定，容易出現渦流，產生振動和噪聲，而后者的流線比較順暢。

設計沉割槽時，可適當取較大值。

對比圖6(a)、(b)可看出，兩者的壓力分布大體一致，但由于前者開度減小，節流口面積減小，通流能力減小，最高壓力要低0.6MPa，節流口壓差也減小了0.5MPa～0.6MPa。隨著開度減小，節流口壓差會逐漸增加，而且增加的幅度會越來越大。

從圖7(a)、(b)可看出，閥口開度減小到4mm后，節流口處最高流速增加了 7.6m/s，高速流動區域更為集中，而且射流角度有所增大。閥口開度減小使A口流速不均勻，可能出現渦流的區域范圍增大，見圖8。

圖5 閥口流場三維流線圖

圖6 壓力分布截面圖(:Pa)

圖7 速度分布截面圖(m/s)

圖8 閥口三維流線圖

4 結論

1）在其他條件不變情況下，隨沉割槽的增大，油液流速降低，閥口的最高壓力將減小；沉割槽越小，越易出現渦流，產生振動和噪聲，油液流速越不穩定。設計沉割槽時，可適當取較大值。

2）在其他條件不變情況下，隨閥口開度的減小，閥口的過流面積也相應減小，油液流速增加，閥口的最高壓力也增加。閥口開度越小，旋渦區越大，耗散越大；而過流斷面面積越小，能量耗散越大。設計時應盡量避免過大斷面發生突變。

[1]周元春,楊曙東,羅 博.基于Fluent 的大通徑滑閥壓力流量特性研究[J]. 機床與液壓,2011(19):109-111.

[2]郭津津,田磊,劉杰.一種螺紋式二通插裝閥的性能分析[J].機床與液壓,2011(21): 84-86

[3]黃國權,曹仲武.中心型蝶閥流場的數值模擬研究[J].機械設計與制造,2011.

[4]周毅,閆光輝.基于 Fluent 的混合彎管流場的數值模擬[J].機械設計與制造,2011.

Simulation and Analysis on Flow Characteristics of Orifice of Slide Valve Based on Fluent

ZHANG Qing-lan,WANG Yu-zhu
(No.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

Based on fluent software,the flow characteristics of the orifice of slide valve are simulated.The section of pressure and velocity distributions and three-dimensional flown line plot are studied according to different undercut slot dimension and opening of slide valve ,which can reduce the disadvantage influence in opening process and closing process of slide valve.

Slide valve; flow characteristics; simulation and analysis; fluent

TC21

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.019

張青蘭（1984-），女，碩士研究生，助理工程師，研究方向：船舶裝置。