二位四通水壓換向閥流場分析及閥芯結構改進

陳遠玲，李文全，吳 龍 ，孫英杰，梁浩昌

（廣西大學 機 械工程學院，廣西 南寧530004）

二位四通水壓換向閥流場分析及閥芯結構改進

陳遠玲，李文全，吳 龍 ，孫英杰，梁浩昌

（廣西大學 機 械工程學院，廣西 南寧530004）

應用CFD軟件FLUENT對一種新型插裝式二位四通水液壓換向閥內流場進行了數值模擬，分析了閥內產生壓降、能量損失、壓力波動、振動及噪聲的主要原因，并對閥芯結構進行改進設計。分析結果表明：通過在閥芯前端緩沖頭上開設節流槽，去除閥芯前端的退刀槽，銳緣倒角圓角處理和加大閥口開度，可使閥口流速放緩，閥腔內湍流脈動、漩渦流、壓力波動等現象減少，常閉插裝單元壓力損失降低41%，最高湍流動能降低21.1%；常開插裝單元壓力損失降低了55.6%，最高湍流動能降低了45%.

二位四通換向閥；流場分析；FLUENT；結構改進

0 引言

液壓閥在工作過程中流體在其中的流動情況十分復雜，流道中普遍存在著湍流、分離、氣穴、水擊等現象。液壓閥不同的閥口開度、流道結構和參數、進出口壓力等因素對流體的流動都有較大的影響[1-4]。水也是液壓系統的工作的主要流體之一。由于水具有的粘度低、潤滑性差、導電性強、汽化壓力高等特性，使得水液壓閥相比工作在其他流體的液壓閥更容易受到腐蝕、氣蝕，以及引起振動和噪聲等問題。為此，不少研究者如弓永軍[5]、吳國洋[6]、潘廣香[7]、莫子勇[8]等應用流場理論和數值模擬技術，對水液壓閥內流場特性進行定量分析，研究閥內流動能耗、空化、振動和噪聲的產生機理，為改善水液壓閥的靜動態性能提供指導。

二位四通換向閥是常用的液壓元件，運用在液壓油路中，加上控制元件插裝閥組成插裝式二位四通換向閥。海水淡化能量回收系統采用插裝式二位四通換向閥作為控制單元。以往的插裝式二位四通水液壓換向閥節流口按普通加工工藝規格加工，工作時閥內產生壓降、能量損失、壓力波動、振動及噪聲等影響較大，本課題組設計了一種新型插裝式二位四通水液壓換向閥[9]，它主要由兩個常開式插裝閥單元、兩個常閉式插裝閥單元、蓋板、主閥體和一個二位三通先導電磁球閥組成，適用于大流量水壓傳動系統，如圖1所示為該換向閥的主通流層截圖面[10]，圖2為常閉、常開插裝單元主通流腔流道結構，插裝閥閥口最大開度為3 mm.本文應用CFD方法，基于FLUENT軟件對插裝式二位四通水液壓換向閥的內部流場進行數值模擬和仿真分析，研究該閥應用于海水淡化能量回收系統，閥內流動噪聲、振動和能量損失的機理，提出流道優化的方案。

1 仿真模型與計算條件

本文采用標準湍流模型，對該二位四通換向閥進行流場仿真分析。對常開和常閉插裝單元流道結構抽取一次進行分析，重點對流體區域進行建模。由于作業環境相同，只對二位四通換向閥的一組常閉及常開插裝單元進行流場仿真分析。

圖1 插裝式二位四通水液壓換向閥主通流層截面圖

1.1 模型建立與網格劃分

由于插裝式二位四通水液壓換向閥的三維實體模型較為復雜，本文采用UG進行實體建模，再通過UG的輸出接口將模型導入到ANSYS中。利用ANSYS的Workbench中的Geometry模塊進行流道抽取，并在UG中進行曲面處理后，得到流道的三維模型。將三維模型導入Fluent的前處理軟件ICEM CFD中，采用四面體非結構網格進行網格劃分，輸出Fluent軟件能識別的.msh文件。閥內流道網格劃分如圖2所示。常閉插裝閥節流口關閉，常開插裝閥節流口打開，截面圖虛線部分省略畫出。

圖2 主通流腔流道截面和流道網絡劃分圖

1.2 計算條件

由于常閉插裝單元與常開插裝單元共享同一壓力進口，且工作環境相同，故其進壓力出口計算條件相同。

（1）進口

海水密度ρ取1.025 kg/m3，動力粘度η取1.082 8×10-3Pa·s，收斂精度為10-6.課題組前期研究設定換向閥圖1中P口為高壓水，口壓力取PP=6 MPa，與P口相鄰的常閉插裝單元及常開插裝單元主通流腔進口壓力Pin=PP=6 MPa.P口流量為QP=150 L/min，則與P口相鄰的常閉插裝單元及常開插裝單元主通流腔進口流量Qin=QP=150 L/min，進口流道直徑Din=20 mm，換算為流速Vin=7.96 m/s，口水力直徑即進口流道直徑為dN=Din=20 mm.

根據式（1）、（2）計算得進口湍流強度：

Iin=3.58%

（2）出口

由于主通流腔有四個直徑一樣的出口，仿真時出口水力直徑出口截面積除以出口周長計算：

四個出口的直徑均為dout=12 mm，代入上式得出口水力直徑：

總出口面積為4個出口，流速公式：

其中，Qout＝ Qin＝ 150 L/min，將 Qout、dout帶入公式（6）計算得出口流速：

Vout=5.56 m/s

將參數 Vout、dout、ρ、η 帶入公式（1）、（2）計算得出口湍流強度：

Iout=3.99%

出口壓力是用進口壓力減去計算速度及湍流動能時得到的進出口壓力壓差得到。

出口壓力為5.88 MPa.

綜合上述計算數據，得出插裝單元主通流腔流道計算條件見表1.

表1 插裝單元主通流腔流道計算壓力

3 仿真分析

對插裝單元主通流腔流道流場進行仿真分析。圖3（a）、（b）為優化前閥口開度最大時即3 mm時，插裝單元主通流腔流道中心軸截面上的速度流線云圖。從圖中可以看到，當液流進入閥芯與閥套開啟處時開始分流，由于閥口過流面積急劇變小，速度流線開始變密，大小迅速上升，以17 m/s左右的速度（全圓周分布）射向四個出口，對閥套內壁造成一定沖擊，閥芯兩側大量出現紊流，使得液流壓力波動加劇，出口處速度分布明顯不均。

圖3 插裝單元速度流線云圖（單位：m/s）

從圖 4（a）、（b）壓力云圖分析可知，由于液流直接沖擊，閥芯端部壓力最大高達5.99 MPa，在相同液流行程下閥口處的壓力下降速度最快，即閥口處壓力損失最大，液流在經過閥口處時閥芯上側壓力由5.99 MPa下降至5.89 MPa，下側壓力由5.99 MPa下降至5.89 MPa，閥芯附近壓力分布不均主要由銳緣倒角引起，由于結構對稱，閥芯兩側壓力相近，所以閥芯上不會產生側向力。

圖4 插裝單元壓力云圖（單位：Pa）

圖 5（a）、（b）顯示，湍流動能較大處主要出現在閥芯銳緣倒角附近及出口附近，分析是由于液流流速在閥口處急劇增加并射向閥套內壁產生紊流，使得出口附近產生較大湍流動能[11]。

圖5 插裝單元湍流動能云圖（單位：J/kg）

根據上述分析可知，換向閥產生壓降、能量損失、壓力波動、振動及噪聲的主要原因是：閥芯開啟時，液流經過各插裝閥單元的主通流腔閥口，由于閥口過流面積過小，流速迅速提升以較高速度射向閥腔內壁形成沖擊、大量紊流及漩渦流，造成能耗、振動及噪聲。而閥芯前端附近的紊流主要由銳緣倒角及退刀槽引起，圖2 a）、b）閥芯倒角邊緣明顯。

基于上述原因，對二位四通換向閥做以下改進設計：

（1）將閥芯前端的銳緣倒角進行二次倒圓角；

（2）去除閥芯前端退刀槽；

（3）借鑒滑閥閥芯優化方法，在閥芯前端緩沖頭上開設UU1形二節矩形節流槽；

（4）在不改變閥芯原有長度的情況下增大閥口開度，由優化前的3 mm提高至6 mm.

閥芯結構的優化是不斷試驗的過程，通過不斷的仿真嘗試發現閥口開度取6mm時，閥腔內湍流脈動、漩渦流、壓力波動等現象最少，優化效果最為明顯。圖6a），b）分別為優化后閥芯改進結構圖。

圖6 優化后主通流腔流道截圖

4 優化后流場仿真分析

4.1 常閉插裝單元流道優化后流場仿真分析

圖7為閥口開度最大時主通流腔流道優化后的速度流線云圖。優化后液流經過閥口處的流速明顯放緩，優化前為15～16 m/s，優化后降低為13 m/s，一定程度上減小了液流對閥腔內壁的沖擊，從而減少了紊流及漩渦流的出現。出口處速度仍然分布不均，最高處高達13 m/s，最小處僅為1 m/s.

圖7 常閉插裝單元流道優化后流場速度流線云圖（單位：m/s）

圖8 為壓力云圖，可以看到優化后液流在經過閥口處閥芯上側壓力由5.96 MPa下降至5.95 MPa，壓力損失為0.01 MPa，下側壓力由5.96 MPa下降至5.95 MPa，壓力損失為0.01 MPa，均較優化前有所降低。通過FLUENT軟件計算得出的進出口壓差即壓降，優化前為△=0.096 137 5 MPa，優化后為△=0.056 701 5 MPa，減小了0.039 463 MPa，降低了41%，取得較好的優化效果。

圖8 常閉插裝單元流道優化后流場壓力云圖（單位：Pa）

圖9 為湍流動能云圖。由圖可知，優化后閥口處液流流速放緩，閥腔內部湍流動能較優化前減小，優化前閥芯上側閥腔湍流動能高達14 J/kg，下側高達13 J/kg，優化后上側閥腔湍流動能減小為10 J/kg，下側減小為12 J/kg.在出口附近，優化前最高達19 J/kg，而優化后降低為11 J/kg，湍流動能的降低說明液流流動平穩，能量耗散小，也減小了噪聲。

圖9 常閉插裝單元流道優化后流場湍流動能云圖（單位：m/s）

4.2 常開插裝單元流道優化后流場仿真分析

圖10為閥口開度最大時主通流腔流道優化后的速度流線云圖。優化后液流經過閥口處的流速明顯放緩，優化前為16 m/s，優化后降低為10～12 m/s，一定程度上減小了液流對閥腔內壁的沖擊，從而減少了紊流及漩渦流的出現。優化前出口處流速分布不均，上側出口大小為1～15 m/s，下側為2～9 m/s，且高速液流均較大幅度偏向出口一側。優化后出口流速有所緩和但仍然分布不均，上側出口大小為4～10 m/s，下側為4～14 m/s，且高速液流主要分布較優化前更偏向于出口中間。

圖10 常開插裝單元流道優化后流場速度流線云圖（單位：m/s）

圖11 為壓力云圖，可以看到優化后液流在經過閥口處閥芯上側壓力由5.97 MPa下降至5.955 MPa，壓力損失為0.015 MPa，下側壓力由5.97 MPa下降至5.965 MPa，壓力損失為0.005 MPa，均較優化前有所降低。通過FLUENT軟件計算得出的進出口壓差即壓降，優化前為△=0.089 442 5 MPa，優化后為△ =0.039 712 5 MPa，減少了0.049 730 MPa，降低了55.6%.

圖11 常開插裝單元流道優化后流場壓力云圖（單位：Pa）

圖12 為湍流動能云圖，優化后閥口處液流流速放緩，閥腔內部湍流動能較優化前減小，優化前閥芯上側閥腔湍流動能高達12 J/kg，下側高達14 J/kg，優化后上側閥腔湍流動能減小為8 J/kg，下側減小為6 J/kg.在出口附近，優化前最高達20 J/kg，而優化后降低為11 J/kg，湍流動能的降低說明液流流動平穩，能量耗散小，也減小了噪聲[12]。

圖12 常開插裝單元流道優化后流場湍流動能云圖（單位：m/s）

5 結論

對于二位四通換向閥流道優化設計，本文在閥芯前端緩沖頭上開設UU1形二節矩形節流槽，將閥芯前端的退刀槽去除，銳緣倒角處進行圓角處理，閥口開度由3 mm提高至6 mm.通過上述優化設計：

（1）常閉插裝閥閥口流速放緩，閥腔內湍流脈動、漩渦流、壓力波動等現象減少，壓力損失較優化前降低41%，最高湍流動能減小4 J/kg較優化前降低21.1%；

（2）常開插裝閥閥口流速放緩，閥腔內湍流脈動、漩渦流、壓力波動等現象減少，壓力損失較優化前降低了55.6%，最高湍流動能減小9 J/kg較優化前降低了45%.

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Flow Field Analysis of 4/2 Water Hydraulic Directional Valve and Valve Core Structure Improvement

CHEN Yuan-ling，LI Wen-quan，WU Long，SUN Ying-jie ，LIANG Hao-chang
（College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

According to a new type of cartridge 4/2 water hydraulic directional control valve，using CFD methods，using FLUENT software carried out numerical modeling for internal flow field.This thesis analyzes the pressure drop，loss of energy，pressure fluctuation，vibration and noise of the main reasons in internal valve，and then improved the design of valve core structure.The analysis of results show：by means of around the front-end buffer head of valve core opened throttling groove，removed the front-end relief groove of valve core，rounded off the sharp edge，increased the opening of the valve port，valve port flow rate slowed down，the valve chamber turbulence，vortex flow，pressure fluctuations and other phenomena reduced，normally closed cartridge valve pressure loss was reduced by 41%，the maximum turbulent kinetic energy reduced 21.1%；normally open cartridge valve pressure loss decreased 55.6%，the maximum turbulent kinetic energy decreased by 45%.

4/2 directional control valve；flow field analysis；FLUENT；structure improvement

TH137

A

1672-545X（2017）08-0009-05

2017-05-27

廣西自然科學基金（2013GXNSFAA019302）；浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室開放基金項目（GZKF-201101）

陳遠玲（1964－），女，廣西柳州人，學士，教授，主要從事液壓技術方面的教學和科研工作。