微型航空氣壓電磁閥流場仿真分析

陳元愷 郭子昂 趙振平 顧寶龍 孫燦飛

摘要：為了探尋動閥芯開度對微型航空氣壓電磁閥內部流場的影響，從而找到合適的動閥芯開度范圍，同時對電磁閥內部流道進行結構優化，針對某型機載微型航空氣壓電磁閥進行了數值模擬及流量試驗。首先建立了5組動閥芯不同開度時的流道三維模型，接著分別對流道模型進行了6個不同進氣壓力下的仿真計算，詳細分析了動閥芯開度對氣壓電磁閥內部流場的壓力分布、流速、湍流動能、出口流量的影響，同時對出口流量值進行了數據處理，通過與流量實測值進行對比，校核了電磁閥設計經驗公式中的重要參數呼吸系數。結果表明，電磁閥開度大于0.3mm可以避免氣蝕產生；由于氣體經過動閥芯兩段對稱溝槽后對向噴射進入靜閥芯氣孔，此區域為電磁閥內湍流強度最大區域。

關鍵詞：微型航空氣壓電磁閥；動閥芯開度；計算流體力學；呼吸系數

中圖分類號：TH138.52+1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.003

基金項目：航空工業技術創新基金項目（2013F63342R）

微型航空氣壓電磁閥是飛機機載供氧系統中的氣流控制裝置，接收到電控信號后能夠實現開啟與關閉，實現對流經微型航空氣壓電磁閥的氧氣進行通斷控制[1]。動閥芯開度[2]是指電磁閥開啟狀態下動閥芯密封面與出氣孔的距離，是關系到微型航空氣壓電磁閥流通能力的一個關鍵參數[3-5]。

在電磁閥設計過程中，動閥芯開度值的設計一直以來都是困擾設計人員的一個難題[6]。目前該領域電磁閥開度值的設計主要有兩種方法，一種是由經驗公式計算所得，另一種是借助計算流體力學技術進行仿真[7-10]。對于采用經驗公式計算的方法，由于不同種類的電磁閥產品的使用工況、流道結構差異較大，導致最終實際流通能力與設計值偏差較大[10-14]。因此本研究通過對微型航空氣壓電磁閥內部進行流場仿真來分析動閥芯開度對電磁閥內氣流特性的影響，校核其設計參數——呼吸系數，針對內部氣體流動情況來給出減少流動能量散耗的結構優化措施，為微型航空氣壓電磁閥系列產品的流道結構設計及閥芯開度值的精確設計提供指導。

1微型航空氣壓電磁閥工作原理

微型航空氣壓電磁閥內部結構如圖1所示，正常情況下封墊座在彈簧力的作用下通過密封墊壓緊閥頭上的出氣嘴，使壓縮氣體被密封；用直流電源給線圈組件通電時，線圈組件內產生磁場（閥芯起聚集磁力線、增強磁場的作用），封墊座在電磁力的作用下移動，從而使閥頭的出氣嘴打開。

2微型航空氣壓電磁閥流道幾何模型

氣體流經該氣壓電磁閥的途徑依次為：氣嘴進氣口、動閥芯側面溝槽、靜閥芯氣孔和閥殼出氣口。在三維建模軟件中建立氣體流經的路徑幾何模型，如圖2所示。

當動閥芯開度不一樣時，氣流狀態將發生改變，為了探索該氣壓電磁閥動閥芯開度對其內部流場的影響，本文建立了5組不同開度的流道模型，分別為開度d=0.1mm，d=0.2mm，d= 0.3mm，d=0.4mm，d=0.5mm，流道模型剖視圖如圖3所示。

3數值模擬

3.1網格劃分

流道模型創建好之后需要進行完網格劃分，本模型采用四面體網格對流道進行劃分，在流道截面變化劇烈的位置進行了網格加密，來實現較為平順的過渡。采用了網格比較研究保證計算結果的網格無關性。網格劃分結果如圖4所示。

3.2設置邊界條件及計算

入口設置為壓力入口，出口為壓力出口，其余流道表面為壁面，假設空氣為不可壓縮，且空氣從入口到出口的流體時間極短，來不及與外界發生熱交換，可看作是絕熱流體。

使用三維穩態隱式求解器，選擇湍流模型配合N-S控制方程，差分格式為二階迎風。針對5組動閥芯不同開度時的流道三維模型，分別計算了其在6個不同進氣壓力（0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa）下的流動特性。

4仿真結果分析

4.1出口流量仿真值與實測值對比

將開度為0.3mm時的電磁閥試驗件出口流量仿真Q值與實測值比較，如圖5所示，平均誤差為3.8%，證明了數值模擬結果的可靠性。

4.2出口流量分析及λ值校核

將各模型不同壓力下出口流量數據繪制成折線圖，如圖6所示。從圖6可以看出，入口壓力從0.1MPa增加到0.6 MPa各流道模型的出口流量均增大，且增大趨勢隨著壓力增大略有減小；同一入口壓力下，隨著開度增大，電磁閥出口流量變大，開度從0.1mm增大為0.3mm時，出口流量增大值最顯著，開度從0.3mm增大為0.5mm時，出口流量增大值較小。

式（1）為電磁閥設計中流量估算經驗公式，電磁閥入口孔直徑D=1.2mm，將數值模擬得到的流量值代入式（1）可得表1。

求其算術平均值可得λ=0.642，處于設計取值范圍0.5～0.7區間，與設計時取值0.6接近，誤差為7%，驗證了數值模擬結果的可靠性，0.6為該微型航空氣壓電磁閥較為精確的呼吸系數推薦值。

4.3常態工作時閥芯開度對流場影響分析

該微型航空氣壓電磁閥常態工作壓力為0.4MPa，故對入口壓力為0.4MPa時，動閥芯開度分別為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm時，流場壓力、流速、湍流動能情況進行分析，分別將數值模擬結果后處理，如圖7～圖9所示。

從圖7壓力云圖可以看出，電磁閥內部流場壓力變化主要分布在入口與動閥芯連接處、動閥芯溝槽與靜閥芯過渡處、靜閥芯與閥殼出氣口連接處，這幾處均為流道截面突變處；動閥芯開度為0.1mm時，氣體流經入口與動閥芯連接處，這幾處均為流道截面突變處；動閥芯開度為0.1mm時，可以看到在入口與動閥芯連接的流域出現了明顯的負壓區域，負壓區的出現可能導致氣蝕，破壞動閥芯保護膜，使其表面形成許多細小麻點。形成了旋渦區，隨著動閥芯開度增大，旋渦區的范圍增大，這是因為小開度起到了很顯著的截流效果，令流場后程流速急劇減小，因此旋渦區范圍減小。

從圖9湍流動能云圖可以看出，氣體從動閥芯溝槽流入靜閥芯氣孔的這一流場區域是整個氣壓電磁閥流場湍流強度最大的一段，這是由于氣體經過兩段對稱溝槽后，在這一區域對向噴射，造成了非常大的能量散耗。

5結論

本文通過建立不同開度的微型航空氣壓電磁閥模型，基于計算流體力學（CFD）對其進行了流場仿真，對仿真結果進行了分析與處理，可以得出以下結論：

（1）通過對仿真結果出口流量值的統計與處理，得出氣壓電磁閥的呼吸系數λ=0.642，與設計值0.6接近，證明了開度0.1mm增加到0.3mm時，氣壓電磁閥出口流量增益最顯著，開度大于0.3mm后，開度對出口流量的增益較小。

（2）電磁閥流場壓力變化主要分布于流道截面突變處，開度小于0.2 mm時，入口與動閥芯連接的流域出現明顯的負壓區域，此處易導致氣蝕現象，開度大于0.3 mm時，該處負壓區域消失。

（3）電磁閥流場內湍流強度最大區域位于動閥芯溝槽流入靜閥芯氣孔處，造成此現象的原因是氣體經過動閥芯兩段對稱溝槽后，在這一區域對向噴射，可以通過適當改變動閥芯溝槽末端角度，引導氣體斜向射入氣孔，來實現減少能量散耗、增大出口流量的目的。

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作者簡介

陳元愷（1989-）男，工程師，碩士。主要研究方向：氣動執行元器件的研發。

Tel：13788991947E-mail：chenyuankai007@163.com

Flow Field Simulation Analysis of Micro Pneumatic Solenoid Valve

Chen Yuankai1，*，Guo Ziang1，Zhao Zhenping1，Gu Baolong1，2，Sun Canfei1，2

1. AVIC Shanghai Aero Mersurement-Controlling Institude，Shanghai 201601，China

2. Key Laboratory of Aviation Technology for Fault Diagnosis and Health Management Research，Shanghai 201601，China

Abstract： To explore the influence of the dynamic spool opening on the internal flow field of the micro pneumatic solenoid valve， and find out the suitable range of dynamic spool opening values， numerical simulation of a certain type of micro pneumatic solenoid valve are carried out. Firstly， five groups of flow path model are built， then carry out the simulation calculations of the flow path model under 6 different inlet pressures， analyze effects of the opening values on five parameters， process the data of the outlet flow value. Results show that cavitation can be avoided when the spool opening is greater than 0.3m. The gases pass through the two symmetrical grooves， then injects into stomata of the static spool in opposite direction， this area is the largest turbulence intensity in the pneumatic solenoid valve.

Key Words： micro pneumatic solenoid valve； dynamic spool opening； computation fluid dynamics； respiratory coefficient