流場可視化的高職課堂教學應用

山西工程職業學院 李優 白柳

“液壓與氣壓傳動”是機械工程最主要的專業基礎課程之一，是培養具有創新精神和實踐能力強的機械制造類人才必須的專業課程[1]。同時也是機械設備中發展最快的技術之一，特別是近年來與微電子、計算機電子技術結合進入一個新的發展階段，該課程對于培養學生的職業技能有著重要作用[2]。為增進學生的理論學習與實踐，大部分高職院校都引進了各類實訓平臺或者工程機械開展實訓教學課程，學生可以通過實操增進對所學知識的理解[3]。例如學生在學習《機械設計基礎》時可以通過實訓觀察到齒輪、鉸鏈連桿傳動等機構的工作狀態，實訓效果好。

1 液壓與氣動課程教學存在的不足

液壓系統的工作壓力一般在0.1MPa～30MPa，實訓時學生只能看到液壓缸等執行機構傳動完的結果，雖然可以通過液壓系統圖或者多媒體教學軟件了解流體在系統內的流動方向，但是當具體到某一液壓元件如各類閥、泵、馬達等時，僅僅以一個機能符號予以表示，對元件內部的工作狀態及工作介質的壓力、流速、能量等關鍵參數的狀態則理解不深。液壓和氣壓傳動必須在密閉空間內以高壓力工作，流體流經元件的動力學特性、流動情況無法直觀表現，而這些又是深入學習這門課程的關鍵。為解決這一問題，實訓室一般采用透視性強的材料如聚甲基丙烯酸甲酯制成模型來展示液體在系統中的流動狀態，而該材料的最高工作壓力在5MPa 以內，對更高壓力工況下流體的流動情況則沒有較好方法，且系統的負載、壓力、環境等因素跟實際工況存在較大差距，與流體在元件內的實際流動情況不符。此外，流體在不同壓力下表現出來的工作性能也有差異，高壓工況下氣穴、噪聲、沖擊等對元件工作性能、使用壽命有較大影響的現象在課堂講授時顯得尤為抽象，教師授課辦法不多，學生理解困難。

計算流體力學（CFD）是數值數學和計算機科學結合的產物，以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，使得流體在高壓工況下的工作狀態得以通過計算機模擬的形式展示出來[4]。目前這項技術主要應用于流體領域的科學研究和工程技術中，能夠較為理想的模擬流場的分布情況，而將其研究結果應用于高等教育基礎學科教學中可幫助學生深入理解課堂知識點、提高學生學習效率和學習興趣，在促進高等教育理論學科向應用型技術領域轉化等方面起到積極作用。

液壓閥作為液壓系統的控制元件主要實現換向、調速、調壓等功能，是液壓系統中不可或缺的組成部分，也是結構最復雜、精細的部分，閥內流體的流場分布對閥的動態特性有很大影響。以兩款方向閥的流場仿真分析結果為例介紹流場可視化在高等教學課堂的應用，通過介紹流體的壓力、流速、能量分布更加形象地幫助學生深入學習閥的工作原理。

2 液壓閥流場可視化在高職課堂的應用

2.1 液控單向閥流場可視化應用

以某型雙聯帶卸荷閥芯式液控單向閥大小閥芯同步打開3mm 時為對象仿真。如圖1、2 為液控單向閥大小閥芯同步開啟3mm 時的流場速度分布云圖和靜壓力分布云圖，由圖可知乳化液主要從大閥芯閥口處流出，平均流速約為86m/s，大閥芯流量約247.7L/min；小閥芯閥口處乳化液的流速只有24.3m/s 左右，小閥芯的流量約7.08L/min，此時流量總共約509.6L/min。在大閥芯與閥座組成的閥道最窄的部位速度最大，接近117m/s，對應在閥尖角處易出現負壓，極易發生氣穴和噪聲，對錐閥和閥座的表面會造成極大的損傷。通過對尖角部位進行倒圓角處理可以有效降低該部位壓力變化現象，緩解壓力損失。由靜壓力分布云圖可以看出在小閥芯與控制桿組成的封閉容腔內的壓力要高于外腔壓力，導致大小閥芯受力不均發生壓力沖擊、閥芯振動，使閥芯重復啟閉。

圖1 大小閥芯位移3mm 速度分布云圖

圖2 大小閥芯位移3mm 靜壓力分布云圖

圖3 為控制桿出口處的流體速度矢量放大圖，由圖可知乳化液主要從大閥芯流出，小閥芯處流速比大閥芯處低，且在出口處發生漩渦，產生能量損耗。由于小閥芯閥口處乳化液不能大量流出，造成小閥芯容腔卸壓不明顯，壓力高于大閥芯外腔。說明液控單向閥工作原理為小閥芯先期小流量卸壓，大閥芯后期大流量泄流，故卸荷式液控單向閥的公稱流量和公稱壓力一般高于不帶卸荷閥芯的液控單向閥。圖4 為大閥芯錐面靜壓力分布云圖，由圖可知錐面小端壓力普遍比大端壓力大，說明大閥芯小端錐面容易受到損傷，應在設計時采取相應措施提高錐面的強度和剛度，以延長大閥芯使用壽命。

圖3 控制桿出口速度矢量放大圖

圖4 大閥芯錐面上靜壓力分布云圖

2.2 電液換向閥流場可視化應用

以某型電液換向閥的主閥打開過程為分析對象進行仿真。圖5 為流場的靜壓力分布云圖，可以看到閥芯內部流場壓力變化較大，在進口處壓力最大，根據Fluent 的表面積分功能得到進口處的壓力為32.18MPa，得進出口壓差為7.18MPa。流體從閥套進入閥芯內部時由于過流面積突然減小，壓力降低約4MPa，是壓力損失主要集中的部位，在閥芯主流道區域壓力分布均勻。同時，閥芯兩側存在約1MPa 壓力差，容易造成閥芯受力不平衡進而在閥體內偏心卡死，應改善進液方式或采用其他措施予以優化。從圖6 流場的速度分布云圖可以看出，流速最大的地方出現在閥口處及剛進入閥芯主通道處（達109m/s），也是壓降最大的地方，結合液控單向閥的分析結果可知流體流速變化明顯的地方能量損失顯著。在進油節流閥口處，流體的速度變化大，說明此處的油液動量變化大，對閥芯與閥套的壓力沖擊也較大，對閥芯的壽命和工作性能產生較大影響。

圖5 電液換向閥主閥流場的靜壓力分布云圖

圖6 電液換向閥主閥流場的速度分布云圖

由圖7 流場的湍動能分布云圖可以看出，最大湍動能為84.8m2/s2，湍動能大的部位能量損失大，該區域為閥芯主通道兩側入口處，結合速度矢量圖可知該區域也是漩渦產生的地方。

圖7 電液換向閥主閥流場的湍動能分布云圖

3 流場可視化在高職課堂教學的創新應用

目前高職高專的教材以介紹元件和系統的工作原理為主，輔以相應的動畫模型解釋，而對液壓系統的壓力、流速、流量分布情況則涉及不多，學生對流體與元件間的相互作用機理理解不深。高職院校學生在校時間短且學業緊張，專業學術基礎薄弱，教學任務以強化學生實踐能力為主，不具備深入學習的條件。相較于傳統教學模式，將流場可視化數值模擬結論直接應用于課堂教學不僅有助于學生理解，更容易激發學生的學習興趣和積極性。將流體傳動領域目前主流的計算機輔助設計方法引進課堂教學，既可以加深學生對液壓元件、液壓系統的理解，又給學生介紹了元件容易損壞的部位和相應結構優化的方式方法，還提前了解了專業高端領域的主流分析方法。

4 結語

將計算流體力學（CFD）中的流場可視化技術應用于“液壓與氣壓傳動”課堂教學為該門課程的教學注入新鮮動力，創新傳統課堂的教學模式，有助于學生的理解和記憶，同時將專業領域的主流研究方法提前介紹給學生，激發學生的學習動力。