液壓閥內流場CFD方法研究的國外現狀綜述

王旭東

摘 要：通過文獻檢索和查閱，對當今國外關于液壓閥內流場的CFD研究方法進行了追蹤和了解，特別是對液壓閥內流場的仿真計算和可視化分析給予了特別關注，這些將有助于國內研究者們進行借鑒和參考，更好地掌握相關研究手段。

關鍵詞：液壓閥;流場;CFD

中圖分類號：TH137.52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0055-02

0 引言

二十一世紀是流體傳動與控制技術逐步走向成熟和完善的時代，在迅猛發展的現代控制技術大潮中，這種技術既承擔了傳動的任務，更是作為一種精確的控制手段，在現代控制工程中，發揮著越來越重要的作用[1]。

液壓閥是流體傳動與控制技術中重要的基礎元件，可以用來控制液體的流動方向，控制液體壓力，調整液流的流量，進而調節液壓系統的各項性能[2]。為了能夠深入了解和分析研究液壓閥體內部的復雜流場，一門新興的流場研究技術CFD快速發展起來，使用這項技術對閥體在復雜工況下的內部流動狀態進行仿真和計算[3]，成為液壓技術領域中新的研究熱點。

1 液壓閥內流場CFD方法研究國外研究現狀

近年來，應用CFD方法對液壓閥內流場進行多維建模仿真并進行迭代計算，同時運用計算機可視化技術對結果加以分析，已逐漸成為該領域的研究熱點。國外許多學者和專家采用CFD方法對液壓閥內流場進行了大量研究工作。

1.1 渦量法仿真研究

日本學者TetsuhiroTsukiji、Yoshikazusuzuki采用渦量法對液壓油用錐閥內部三維軸向流動進行了數值仿真，分析了錐閥的內部流動情況[4]。這種方法與邊界元法結合能很好地解決紊流以及移動邊界問題。

1.2 氣穴流場研究

ShigeruOSHIMA，TimoLEINO等在“水壓錐閥氣穴流場的試驗研究”[5]文章中，對水壓錐形閥的內部流動和外部流動這兩種情況進行了試驗研究，并將結果與先前的油液錐閥研究結果進行了對比分析，得到了在施加不同的壓力情況下，錐形閥的節流口處的液體壓力數值、閥口流量系數值和液體質量流動率的數值，及閥芯上的壓力數值，并繪制出了相應參數的分布圖。這一試驗成果，對相應的理論研究和進行多種數值的仿真模擬提供了很好的試驗依據。

1.3 錐閥射流研究

在YuKeshen、KojiTakahashi、Tomoyasu等撰寫的“錐閥射流的數值分析”[6]一文中，研究者創新運用了流線坐標法，對液壓錐閥的流場進行了數值仿真，分析了錐閥和球形閥的內流場，給出了錐閥流場的壓力和液動力的作用結果。

1.4 氣蝕現象研究

在這同一時期，S BERNAD、R SUSAN等人聚焦閥的2D穩態流，針對閥體內部的單向流和多相流流場，運用CFD技術進行了模擬分析，將研究結果發表在了“錐閥閥腔內部的氣蝕現象”[7]的論文里。該研究采用的錐閥建模結構如圖1所示，圖2為該模型的軸對稱計算區域。

Priyatosh Barman等進一步對3D滑閥模型進行了流場仿真研究[8]，其結構簡圖如圖3所示。在這個研究項目中，STAR-3D仿真軟件得到了充分使用。特別是針對兩相流動液體的仿真計算效果良好，分別獲得了液壓閥閥內流場的壓力、速度和氣體體積分布圖。研究結果表明，在大流量、高壓差作用下，閥內液流區域具有相當的可能性形成汽化現象，而當汽化出現后，氣泡的破裂沖擊作用，會對閥體及閥芯表面造成明顯的氣蝕破壞。顯然，該項研究結果對改進滑閥內腔結構設計、抑制氣蝕產生具有積極的指導意義。

Qinghuiyuan，Perry Y. Li Yoshinari Nakamura，Seiiehi Washio，Koya Syojino[9]等人用實驗方法詳細研究了錐閥動靜態特性;M.Kipping[10]對液壓滑閥在三種不同流體介質工作條件下的內部流場進行了實驗和數值分析;M.Dietze[11]對不同錐角下的液壓閥分別建立了二維和三維模型，并進行了數值仿真分析，仿真結果與實驗結果基本符合。

2 結語

從國外研究現狀可知，CFD方法已廣泛應用于對液壓閥流場特性進行仿真計算及閥體結構的優化設計方面，在具體流場仿真過程中大多采用CFD軟件進行求解計算，且仿真結果基本與實驗結果吻合，說明CFD方法合理可行，并且相對于其他方法能節省大量的人力和物力，其研究成果可為閥的優化設計提供重要的理論依據及實際參考價值。

參考文獻

[1] 王益群.張偉流體傳動及控制技術的評述[J].機械工程學報，2003，39（10）：95-99.

[2] 路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[3] 淑娟，劉楷安，孫雪麗.基于CFD的液壓錐閥內部流場的數值模擬分析[J].華北水利水電學院學報，2008，29（2）：56-58.

[4] TetsuhiroTsukiji .Flow analysis in oil hydraulic valve using vortex method[C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[5] Shigeru OSHIMA，Timo LEINO，Matti LINJAMA.experimental study on cavitation in water hydraulic poppet valve[C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[6] YuKeshen， KojiTakahashi，Tomoyasu.Numerical Analysis of the Jet Issuing From a Poppet Valve[C].In：machanical? ?meeting? paper volume of japanm，2002.

[7] S BERNAD，R SUSAN-RESIGA，I ANTON，et al.Vortex Flow Modeling Inside the Poppet Valve Chamber[C].Bath Workshop on Power Transmissi-on and Motion Control（PTMC）.Bath.2001.

[8] Priyatosh Barman.Computational? Fluid? Dynamics （CFD）? Analysis to Predict to and Control the Cavitation Erosion in a Hydraulic Control Valve[C].In：SAE World Congress.Detroit，Michigan，USA，2002.

[9] Yoshinari Nakamura，Seiiehi Washio，Koya Syojino.Measurement and modeling of poppet valve charaeteristics [C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[10] Kipping. Experimental Investigation and Numerieal Caleulation of Internal Flow in a Hydraulic Slide Valve[D]：[Master degree Dissertation].Darmstadt University of Technology，1997.

[11] Dietze. Measurement and Calculation of the Internal Flow in Hydraulic Seat Valves[D]：[Master degree Dissertation].Darmstadt University of Technology，1996.