基于CFD 的不同開度下順序閥管路穩定性分析

魏春雨， 潘 捷， 何美雙

（沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

在各類液壓系統中，順序閥應用場合多樣，包括煤礦機械、車輛工程、航空航天等領域[1]。 在液壓系統中，順序閥猶如自動開關，它以進口壓力油或外來壓力油的壓力為信號，當信號達到調定值時，閥口開啟，使所在油路自動接通，故順序閥的啟閉特性直接影響到閥的使用效果[2，3]。許多學者已開展了對順序閥的研究， 積累了許多寶貴的經驗和數據。 劉賢東等人針對配汽方式引發的機組軸系故障進行機理分析，提出對稱對角進汽、增加配汽閥點、減小閥門開啟重疊度以及根據軸承承載情況確定合適的閥門開啟順序這四種方案， 對超臨界機組的順序閥優化改造。改造后，機組運行的安全性和經濟性得到了顯著提高。程萍等人針對典型的直動式與先導式順序閥的結構，建立了兩種順序閥的仿真數學模型， 通過修改參數來仿真順序閥產生故障的原因， 為以后順序閥的設計及排障起到重要作用。 霍家林等人對有彈簧預壓力的插裝順序閥及其雙缸回路進行了聯合仿真， 得到了插裝順序閥閥芯的受力、速度與位移情況[4-6]。

1 研究內容與研究方法

本文所研究的順序閥主要結構包括進油口、閥芯腔、單向閥腔、出油口。 結構圖如圖1 所示，其中，進油口A 通過第一油道與閥芯腔相通， 閥芯腔通過第二油道與出油口P 相通；進油口A 通過第三油道與單向閥腔相通，單向閥腔通過第四油道與出油口P 相通。

圖1 SV 順序閥結構圖

當油液通過單向閥進入活塞腔時， 產生的液動力會推動推桿向前移動，直至打開閥門使得油液通過第四油道從出油口P 流出。 閥門啟閉時，閥口開度的突變，閥門下游極易產生漩渦、二次流、空化等復雜流動狀態，導致閥門在瞬態工況下運行故障。 本文應用ANSYS Workbench中FLUENT 模塊， 模擬了密度為956kg/m3， 黏性系數為0.18kg/（m·s）的流體介質在閥門開啟前的流場，并且研究了流體介質注入的瞬態過程中不同開度管路流動中的流量、壓力變化情況。

2 數學模型與流體建模

順序閥在工作時，液壓油流經活塞缸，產生的液動力使活塞缸內彈簧壓縮，使得推桿前伸從而開啟閥門，此時進口管道直接連通出口管道，三維模型如圖2 所示、四個油路的流體域如圖3 所示。 在研究不同開度下順序閥管路內流場時，于閥口上下游建立管路二維模型，其中二維模型的尺寸設置完全與實物相同，方案具有可行性，二維模型如圖4 所示。流動管路進出口直徑為5mm，鋼球直徑6mm，以鋼球被推桿推動量確定閥口開度，閥門全關時開度為0， 全開時的開度為5mm， 分別建立開度為1mm-5mm 的閥門開度研究流場變化。仿真時設定流動為湍流，不考慮能量交換與熱傳遞，流體密度為956kg/m3，黏性系數為0.18kg/（m·s），流動過程滿足質量守恒定律，建立連續性方程和動量方程如下：

圖2 SV 順序閥三維模型

圖3 閥門開啟前管路三維模型

圖4 閥門上下游管路二維模型

連續性方程：

式中：ρ—密度；vx，vy，vz—X，Y，Z 方向速度矢量；P—壓力；μe—有效粘度；gx，gy，gz—重力加速度分量；Tx，Ty，Tz—粘性損失。

3 網格劃分與邊界條件

3.1 網格劃分

本文運用Meshing 對模型進行網格劃分，為保證計算精度，三維流體域模型網格劃分時選擇四面體網格，單位尺寸為0.5mm，設置膨脹層數為5，局部加密有曲率變化部位；二維模型網格劃分時選擇三角形網格，單位尺寸為0.3mm，檢驗網格質量Skewness 與Element Quality 的平均值分別為0.04883 與0.96998，網格質量優秀。 如圖5、圖6 所示。

圖5 閥門開啟前管路三維模型網格劃分

圖6 閥門上下游管路二維模型網格劃分

3.2 邊界條件

對三維模型進行參數設置時，根據順序閥的工作情況，設置速度為進口邊界條件， 大小為6.6386m/s， 設置大小為7MPa 的壓力出口為出口邊界條件， 管路壁面設置剛性壁面， 流體介質為液壓油，密度為956 kg/m3，黏性系數為0.18kg/（m·s）；在分析閥口開度不同時的流場問題中， 設置出口邊界條件為自由出流outflow，其他條件不變。

4 仿真結果分析

當液壓油從進油口流經活塞缸之前時， 管道內壓力速度場如圖7 所示。從圖中可以看出，仿真出進口壓力達到10.92Mpa 左右，且壓力隨著流體介質在管道內流動逐漸減小；管道內速度逐漸增長，在出口處達到最大；閥芯內部產生了比較大速度分布不均情況，這是渦流產生的主要原因。

當閥口開度為1mm 時， 閥口上下游管路的壓力速度場如圖8 所示。從圖中可以觀察到，由于閥門的阻礙作用，在閥門上下游管道的壓力場產生很大梯度，其入口壓力達到2.261×106Pa。 此外從壓力圖中可以清楚的看出壓力分為3 個不同壓力層， 在閥門附近壓力減小而速度突增，節流作用明顯。

圖7 閥門開啟前管道內壓力場與速度場

圖8 閥口開度為1mm 時管道內壓力場與速度場

當閥口開度為2mm，3mm，4mm，5mm 時， 對比不同開度下順序閥管路內流場的壓力流速可以發現，隨著開度的逐漸增大，進口壓力逐漸減小，最大進口壓力從7.993MPa減少到3.365MPa 左右。 最大流速從41.94m/s 減少到13.36m/s 且位置不變，閥芯腔內部空化程度也明顯降低。觀察閥口開度為1mm 與2mm 時發現壓力成明顯梯度，此時順序閥的節流效果依舊明顯，同時閥口處的流速與進口流速差值巨大，為進口流速的4 倍，見圖9。

閥口開度為3mm、4mm 時，閥門的節流作用減弱，在閥口附近的壓力變化逐漸呈穩定趨勢，變化梯度大幅降低，閥口處的壓力區域向外擴展，縮小了閥前高壓區與閥后低壓區域面積。 閥口附近的流速明顯下降，最高速度大約穩定在進口速度的2 倍以內，閥芯腔內渦流回旋程度也有所下降，見圖10～圖11。

圖9 閥口開度為2mm 時管道內壓力場與速度場

圖10 閥口開度為3mm 時管道內壓力場與速度場

圖11 閥口開度為4mm 時管道內壓力場與速度場

閥口開度最大時，閥口附近區域壓力與進出口區域壓力良好過渡，節流作用基本消失，液壓油順利通過。此時閥口處的最高速度下降，閥口前后的液壓油流動速度基本保持不變，閥芯腔內渦流回旋程度明顯降低，見圖12。

5 結論

圖12 閥口開度為5mm 時管道內壓力場與速度場

閥口瞬態開啟時，管道內形成明顯壓力梯度，球堵承受較大壓差， 此時閥口附近流速最高，這是渦流產生的主要原因。

隨著閥門開度的逐漸增大，閥口上下游道間高壓區域與低壓區域界限不再明顯，閥口附近流速逐漸下降，閥門內部的漩渦區域范圍逐步減小，漩渦間的相互作用逐漸減弱。

本文選用二維模型簡化的仿真方法，參數設置上取了一定近似值， 在保證了仿真效果的條件下減少了計算量，為解決有復雜模型的流體仿真提供一種有效的方案。