基于FLUENT掘進機插裝式平衡閥多物理場耦合仿真分析

趙美卿

（山西工程技術學院，陽泉 045000）

螺紋插裝閥自20世紀70年代以來，在工程機械和煤礦機械等液壓裝備方面的應用逐漸增多。螺紋插裝閥是一種常見的核心液壓元件。因掘進機工況復雜惡劣，尤其當掘進機截割部升降液壓缸負重升降瞬間，平衡閥常常伴隨嚴重的節(jié)流發(fā)熱、氣穴以及漩渦等現(xiàn)象。因此，有必要研究螺紋插裝式平衡閥的多物理場耦合特性。多物理場耦合主要指液固熱耦合。分析插裝式平衡閥多物理場耦合，能夠為平衡閥的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)[1]。

國內不少學者對插裝式平衡閥進行了研究。管傳寶以插裝平衡閥為研究對象，依托鋼拱架安裝機液壓舉升回路進行了動態(tài)特性分析[2]。鄭淑娟分析了插裝型錐閥配合副的流固熱耦合。鄧龍研究了螺紋插裝式平衡閥在平衡回路中的穩(wěn)定性[3]。曹秉剛[4]等利用邊界元方法對錐閥的內部流場進行數(shù)值分析，試驗研究了錐閥液動力與閥芯錐面的壓力分布[5]，得到錐閥邊界壓力和速度場的分布特征。高殿榮[6]等針對錐閥內部流場，利用有限元方法進行數(shù)值仿真，得到了錐閥流場的速度矢量圖和流線圖譜等。本文利用FLUENT軟件模擬掘進機用螺紋插裝式平衡閥多物理場耦合，主要研究液固熱耦合情況下綜合應力作用特征、流程特征以及溫度場特性。

1 插裝式平衡閥多物理場耦合概述

插裝式平衡閥常常伴隨嚴重的節(jié)流發(fā)熱[7]。液壓力和熱應力綜合導致了平衡閥變形。變形又和液流和溫度有關。圖1為螺紋插裝式平衡閥內流體、固體以及溫度3種物理場之間的耦合關系示意圖。螺紋插裝式平衡閥多物理場耦合問題一般采用計算流體力學CFD方法進行分析和研究，以得到切合實際工作過程的壓力場和速度場等，從而為平衡閥的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

圖1 插裝式平衡閥多物理場耦合示意圖

2 螺紋插裝式平衡閥仿真模型的搭建

根據(jù)實際工作中螺紋插裝式平衡閥的結構，建立插裝式平衡閥的閥口三維模型如圖2所示。

圖2 插裝式平衡閥的閥口三維模型

流體域模型如圖3（a）所示。圖3（b）為流體域的網(wǎng)格劃分情況。要盡量細化節(jié)流損失部位網(wǎng)格，對模型進行詳細建模。仿真過程假設進口油液溫度一定。

圖3 流體模型和網(wǎng)格劃分

3 仿真條件設置

該螺紋插裝式平衡閥中，湍流模型使用standard k-epsilon model，近壁函數(shù)選擇Standard Wall Functions。考慮溫度對模型的影響，打開粘性熱（Energy Equation）選項。單向閥在實際某工況下的承載壓強為3.5 MPa，因此本次仿真使用此壓強對單向閥進行實驗。入口溫度25 ℃（298 K），設置參數(shù)后進行迭代運算，可以得到流場結果。繼續(xù)接入Static Structural模塊，導入溫度場和流體壓力進行流固熱耦合，可得到仿真結果。

4 仿真結果分析

在設置仿真條件情況下對多物理場進行仿真，從而得到流場分析流體速度流線圖和流體速度矢量圖，分別如圖4和圖5所示。對插裝式平衡閥流體速度和漩渦分布進行仿真模擬，仿真結果顯示：在插裝式平衡閥節(jié)流口出口處存在負壓，導致氣泡和氣蝕；節(jié)流口入口處的速度較慢，在主閥的入口處基本沒有漩渦存在，漩渦出現(xiàn)在上部和平衡閥的出口。

圖4 流體速度流線圖

插裝式平衡閥的變形主要涉及節(jié)流發(fā)熱導致的熱變形和油液壓力作用引起的機械變形兩部分，因此需對插裝錐閥進行熱流固耦合分析，主要有閥內液流流場分析、閥內液流溫度場分析以及流固熱耦合及固體的應力應變分析。

閥口模型應力云圖如圖6（a）所示，可以得到在錐角處的最大應力為50 MPa，出口處應力為22 MPa。應變云圖如圖6（b）所示，最大應變位于錐角處，應變?yōu)?.000 29 m·m-1。耦合溫度場如圖6（c）所示，可知升溫嚴重，節(jié)流口最高溫度達到65 ℃。

圖5 流體速度矢量圖

圖6 閥口仿真云圖

插裝平衡閥的閥芯應力云圖和應變云圖，分別如圖7和圖8所示。節(jié)流損失導致升溫，升溫和液壓力綜合又引起導致閥套和閥芯產生變形。

圖7 閥芯應力云圖

圖8 閥芯應變云圖

5 結語

根據(jù)物理樣機建立平衡閥三維模型，仿真固液耦合作用，進而獲得固液升溫規(guī)律。分析閥芯閥套的溫度場和應力場的綜合作用，得到熱效應和液壓力共同作用下的閥套閥芯變形。可見，閥整體的流固熱耦合為閥套閥芯設計提供了參考依據(jù)。