液压阀阀体内流场的数值分析与可视化

方子帆 贺青松 谭宗柒 向兵飞 吴德新 夏 欢

(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002)

滑阀是液压系统中控制液压油流动方向和流量的重要元件,阀体内流体运动的变化会产生附加的液动力,对滑阀控制特性和工作可靠性造成影响.同时,当液压油流经滑阀节流口时会产生压力损失和能耗,并使系统发热;滑阀内部流道设计不好还会引起空化,产生噪声并腐蚀阀芯.因此,对滑阀内部流场进行研究,对改善滑阀特性及提高液压系统工作性能具有重要意义.

节流槽滑阀是滑阀的一种,与普通滑阀相比,就是在阀芯上均布有不同形状的节流槽及其组合,其阀口的水力半径大,抗阻塞性能好,容易获得小的稳定流量,流量调节范围宽.由于其面积梯度容易控制,其流量微调性能优良[1-2].基于节流槽滑阀的以上优点,节流槽滑阀被广泛应用于工程机械液压主控制阀、液压比例阀及伺服阀等液压元件中.本文采用Fluent软件对带U形节流槽的滑阀内部流场的数值模拟分析,为设计性能优化的滑阀提供了依据.

1 阀体结构及流道三维模型建立

1.1 建立阀体的三维模型

由于需要对处于不同开口状态时的阀体内的流场情况进行对比分析,而使用Gambit直接建模比较费时费力且不易实现参数化,因此采用Pro/E参数化建立其三维几何模型,以便于修改阀体模型的开口度.为满足数值解析的可行性,在实际模型的基础上对其计算模型进行以下简化处理:(1)假设节流边为完全直角;(2)假设阀芯和阀体配合良好,没有间隙.

本文研究的阀体结构如下图所示,两个U形节流槽对称布置在阀芯凸肩上.图1和图2分别为阀体结构示意图和三维模型.图中 x为阀体开口大小,只要改变x的值就可以得到不同开口度的模型,图中单位为mm.

1.2 网格划分

几何模型建立后,利用CFD前处理软件Gambit进行网格划分.Gambit软件是面向CFD的前处理器软件,具有功能强大的网格划分工具,可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格.考虑阀内部流道的复杂性和节流口、通流孔对流场的影响,在阀体内流场变化较大的区域,如阀口和流道的拐角处进行了网格细化处理以得到更为精确的仿真结果.

由于阀体结构是面对称的,因而流体在滑阀阀腔内的流动也是面对称的,根据对称性原理,取流动区域的一半进行仿真计算,以便节省计算时间和计算机内存.经过处理后的网格模型,如图3所示.

图3 阀体网格模型

2 计算条件和边界条件

2.1 计算条件

阀内的流体假设为不可压缩流体,流动是单相流,且系统内部流体无热传导现象.液压油选用30号抗磨液压油,油液密度为860kg/m3,动力粘度为μ= 0.27N/(m◦s),流动状态为湍流,采用标准κ-ε两方程湍流模型.

κ-ε两方程模型是目前在工程计算中使用最广泛的湍流模型.为了使基于κ-ε模型的数值计算能从高Re数区域一直进行到固体壁面上,本文采用Jones和Launder提出的低Re数κ-ε模型,在该模型中引入了湍流雷诺数Ret=ρ κ2/(η ε).

湍动能κ方程

耗散率ε方程

湍流动力黏性系数μt的计算表达式

2.2 边界条件

流场中流体可能与固定壁面接触,也可能与不同介质的其他流体接触,接触界面即为边界.在边界上流体的运动参数受到边界的影响而具有确定的值,这就是边界条件,在求解流场的解时必须满足其边界条件.

流体质点粘附在固定壁面上时,就要满足无滑移条件,流体不能穿过边界,也不能脱离边界而形成空隙,因此在边界上的流体不可能有边界法线方向的相对速度,即边界上流体的法向分速度为零.实际的流体都具有粘性,壁面上的流体必将粘附于壁面.因此,如果不考虑流体与壁面之间微小滑移,则流体与壁面之间的切向相对速度也必须为零,即流体只能与相应点的壁面具有相同的速度,如果边界壁面是静止的,那么边界上的流速也只能为零[3].

在本文中,根据滑阀工作的情况,入口处采用压力入口边界条件,将进油口作为入口边界,入口处的压力值取为4 MPa;出口处采用压力出口边界条件,在出口截面上的相对压力取为0.15 MPa.流体与壁面接触的边界为静止,无滑移壁面.

3 仿真结果与分析

通过对阀内流场的仿真可得到阀内速度场和压力场的分布图.结果以压力云图、矢量图以及流体流动的流线图等形式给出.为了说明开口度对阀内流场的影响,本文对阀口开度分别为0.5 mm、1.5 mm、2.5mm和3.5mm时,阀体的内部流场进行分析.

以进口压强4MPa,出口压强1.5MPa为边界条件,计算开口度0.5 mm时的阀体内流场,本次计算迭代5 700次达到收敛.图4为残差图,从中可以看出,计算的收敛效果良好,说明所建的模型和所采用的计算方法是合理的.

图4 残差图

图5中从左至右依次为开口度为0.5～3.5 mm时,对称面上的压力云图.从图中可以看出进口腔的压力明显远大于出口腔的压力,而且同一个腔中的压力几乎不变,压力变化主要集中在节流口处,节流口处的压力等值线分布最密,压力梯度变化最大,上下节流槽的压差变化梯度几乎对称分布.从图中也可以看出,出口压力逐渐随着阀体开口度的增大而增大.这主要由于阀芯移动,过流截面面积逐渐增大,导致流速逐渐减小,出口压力逐渐增大.

图5 压力云图

图6为阀体对称面上的的速度矢量图和湍动能分布图,可以看出,在过流断面面积突变处,出现了主流与壁面脱离的现象;滑阀的两个腔内的流动情况有着明显的差别,进油腔流体速度小于出油腔的而且流动平稳没有剧烈变化;而出油腔内由于有节流槽的射流作用,速度变化剧烈,且节流槽处的流动情况最剧烈.

对照图6(a)和图6(b)可以清楚地看出能量耗散的大小与漩涡区的大小的关系,湍能量损失集中的区域就是漩涡发生的区域.并且漩涡越大,能量损失的范围也越大,流体噪声也越大.阀体的节流槽拐角处,是容易产生能量损失和流体噪声的地方,应对其进行优化改进.

4 结 论

对阀体内的流场进行可视化图形分析,可以清楚地观察到阀体内流场的变化,这将为分析各种不同因素如直径和长度、倾斜角度、阀芯的速度、压力和流量等对阀体内的流场的影响提供便利,同时为阀体的优化设计提提供理论依据.为缩短阀体的结构的设计周期奠定基础.

[1] 郑淑娟,权 龙,雷红霞.插装型液压锥阀内部流场的数值模拟及可视化分析[J].流体传动与控制,2005(2):18-22.

[2] Campbell,T,Yu L.Simulation of Changing Geometry with Variable Openings Using CFD[J].International Journal of Computer Applications in Technology,1998, 11(3-5):257-270.

[3] 付文智,李明哲,蔡中义,等.滑阀式换向阀三维流体速度场的数值模拟[J].哈尔滨工业大学学报,2007(1): 149-152.

[4] 师奇威,贾代勇,杜雁霞.CFD技术及其应用[J].制冷与空调,2005,5(6):14-17.

[5] 王瑞金,张 凯,王 刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007:47-49.