基于CFD的液壓滑閥過流特性的穩態分析

摘 要：液壓滑閥是液壓系統的主要控制元件之一，其性能好壞直接影響到整個液壓系統的性能。本文應用軟件PRO/E建立滑閥內部流道的三維模型，然后應用Gambit軟件劃分網格，最后運用Fluent軟件對不同閥芯開度和不同流量下滑閥內部流場進行了數值模擬。所做工作對于滑閥后期結構優化、了解滑閥過流特性具有指導意義。

關鍵詞：滑閥；Fluent；壓力云圖

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.001

0 引言

隨著液壓技術的不斷發展，對整個液壓系統或液壓元件的性能要求越來越高，采用先進的設計方法或技術手段研究系統或元件性能，特別是其內部運行情況的研究對于提供有效的設計依據具有十分重要的意義。液壓滑閥是液壓系統的主要控制元件之一，它通過改變閥芯和閥體的相對工作位置來實現對流體的壓力、流量、方向的控制[1]。流體流經閥內流道特別是滑閥閥口時，由于閥口過流斷面面積的減小會造成一定的壓力損失和能量的消耗，嚴重時甚至造成氣穴現象，導致振動或噪聲。另外，流體流經閥腔時，由于動量的變化會產生液動力，對閥芯的操縱性能造成影響[2-3]。因此，研究液壓滑閥流道內流體的流動特性對于了解預測其內部流場壓力、速度分布及其受力情況和后期的結構優化設計具有十分重要的意義。本文采用CFD（Computational Fluid Dynamic）軟件Fluent對液壓滑閥在進口節流工況下采用單相流技術對其內部流場進行了定常仿真計算，分析了流量變化和閥口開度變化對于其內部流場的壓力和速度分布的影響。

1 模型的建立

液壓滑閥的幾何結構示意圖見圖1.其中a=7mm，b=4.5mm，c=4.5mm，閥桿直徑d=6mm，長e=15mm，閥芯直徑D=11mm.內流道建模時假設閥芯與閥體精確配合，無徑向間隙。應用參數化建模性能良好的軟件Pro/E建立三維模型，由于滑閥內部流道呈面對稱結構，在此僅建立了其半剖模型，以節省計算時間和計算機內存，并對進出口管道進行了適當延長。應用軟件GAMBIT對建立好的模型進行先線再面后體網格方式劃分網格，體網格采用非結構化混合網格，如圖2為開度為1mm時的網格模型圖。 其中閥口處壓力梯度變化比較大，在靠近閥口附近區域進行局部網格細化[4]。

2 計算條件

假設流體為不可壓縮、牛頓流體。油液采用抗磨液壓油，密度為860kg/m3，動力粘度為0.02494；采用標準兩方程紊流模型。邊界條件為速度入口和壓力出口，速度有流量換算得到，出口壓力取絕對壓力0.2MPa。 流體與壁面接觸的邊界為靜止，無滑移壁面，不考慮熱傳導。

3 仿真結果分析

3.1 開口度變化對閥內流場的影響

圖3、4、5分別為流量為40L/min，閥口開度為0.25mm、0.5mm、1mm時對稱面上的壓速度矢量圖壓力分布云圖，壓力局部放大圖為進油口流入經閥口附近閥體和閥芯壁面區域。

對比圖3（a）、圖4（a）、圖5（a）可知：相同進口流量下，通過閥口的流體主流束的射流角度隨著閥口開度的增大，射流角度減小，流速減小，故在計算液動力的理論值時應考慮射流角的變化。隨著開度的增大，流經閥口的主流流體與閥芯壁面脫離程度增大；在靠近閥口的閥芯壁面附近的旋渦的尺寸和強度增大，可以通過把閥桿與閥芯臺肩相連的地方設計成流線型的過渡連接以減弱甚至消除這種渦流的形成；而靠近閥口的閥體壁面附近的旋渦的尺寸和強度則隨著開口度的增大而逐漸減小。在閥腔出口處的右上角形成的旋渦隨著開口度增大其尺寸和強度變小。對比圖3（b）、圖4（b）、圖5（b）得出：相同流量下，閥口開度越小，閥口處流速變化大，產生的壓降越大，閥口處越易出現負壓，且范圍越大，負壓值越大，進口節流時氣穴主要發生在靠近閥口的閥芯壁面。

3.2 流量變化對閥內流場的影響

為了對比流量變化時對閥內流場的影響，取開度為0.5mm，流量為60L/min時的仿真結果如圖6所示，將其與圖4中的壓力分布圖和速度矢量圖進行對比。

對比圖4和圖6可知，在相同開口度時，隨著流量的增大，閥口處的速度增大，但速度矢量分布基本相同，只是數值的變化，說明在滑閥流道內旋渦分布變化主要受閥口開度的影響。油液從進油腔流入閥口時，在閥口處靠近閥芯壁面處出現了負壓，流量越大負壓值越大，但是壓力分布區域基本相同。可以得出該結構尺寸閥適合于在小流量工況下工作，當流量太大時會因為大的負壓而發生氣蝕現象。

4 結論

（1）開口度越小，流線流線附壁現象越嚴重，射流角越大。在實際估計液動力時應考慮射流角的變化。而開口度一定時，流量變化對于速度場和壓力場的分布規律影響很小，隨著流量的增大，壓力減小，當流量增大到一定數值時出現負壓。滑閥流道內旋渦分布變化主要受閥口開度的影響。

（2）進口節流時氣穴主要發生在靠近閥口的閥芯壁面。開口度越小，流量越大，閥口處的流體的流速變化越大，產生的壓降越大，閥芯壁面上負壓區范圍和負壓絕對值越大，越容易發生氣蝕現象，易導致振動和噪聲增大。應盡量避免該閥在這種工況下工作，或依據仿真結果對閥內流道結構進行改進，以盡可能減小對閥芯或閥體的損壞。在閥芯材料上，可以考慮耐腐蝕耐磨損材料的閥芯。

參考文獻：

[1]李壯云.液壓元件與系統（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]鄭淑娟，權龍，雷紅霞.插裝型液壓錐閥內部流場的數值模擬及可視化分析[J].流體傳動與控制，2005（02）：18-22.

[3]方子帆，賀青松，譚宗柒等.液壓閥閥體內流場的數值分析和可視化[J].三峽大學學報，2011，33（02）：63-65.

[4]王國志，王艷珍，鄧斌等.水壓滑閥流動特性可視化分析[J]. 機床與液壓，2003（01）：95-96.

作者簡介：高小瑞（1983-），女，山西襄汾人，講師，碩士，從事輪機工程和液壓、流體傳動方面教學研究工作。