基于动网格的液压缸内部流场的数值模拟仿真

苏乃权，周瑞强，蔡业彬，黄崇林，乔东凯

（广东石油化工学院机电工程学院，广东茂名525000）

基于动网格的液压缸内部流场的数值模拟仿真

苏乃权，周瑞强，蔡业彬，黄崇林，乔东凯

（广东石油化工学院机电工程学院，广东茂名525000）

运用动网格技术，对液压缸的流动区域进行数值模拟，使用Fluent中的Profile文件定义活塞杆的运动速度与运动时间。经过数值模拟后，得到液压缸在不同的时间段内计算域的压力及速度云图。模拟仿真的结果能够较好的反应液压缸的内部流场，有助于设计者了解液压缸的内部流场的变化情况。

液压缸；FLUETN；动网格；数值模拟

液压缸作为执行元件，由于液压传动介质的流动性、可压缩性、粘性、易受污染等特性以及易受温度、压力等环境的影响等原因，使得液压缸往复运动动态性能表现得比机械传动复杂得多，极易出现振动、噪声、冲击和爬行等不正常工作状态，而且故障原因不易确定，影响设备的稳定运行[1]。然而，很少有专门针对单个液压缸的内部流场进行分析研究，而主要集中在对控制液压缸的阀及控制器进行研究。当活塞在出现振动时，主要从控制液压缸的阀进行分析研究与对控制器进行优化，很少考虑到液压缸的内部流动的液压油的变化情况。

动网格技术已广泛的运用到液压系统分析中，如文献[2-5]将动网格技术引入到离心泵内部流场的数值模拟中，对离心泵非定常流场进行数值模拟；文献[6]对气缸活塞运动过程进行动态数值模拟，通过动网格的生成与消亡，较好地解决因活塞运动所导致计算区域瞬时变化问题，得到气缸在不同蓄能腔体积、量孔直径及活塞作用面积下，活塞所受轴向力、位移变化等特性的可视化仿真结果，获得气缸内部流场分布。由于动网格技术可以自行地定义活塞杆的运动速度及运动时间，将动网格技术引入到流体模型的内部流动的数值模拟中，对流体模型的流场分析更加接近实际的工作。本文主要是运用动网格技术，分析液压缸在相同速度下柱塞伸出过程及其内部流场的变化。

1 动网格技术

计算流体动力学（CFD）是一门新兴的独立学科，将数值计算方法和数据可视化结合起来，对液体的流动等相关物理现象进行模拟仿真，是当今除理论分析、实验测量外，解决流动问题的一种新的技术方法。主要包括两部分：网格化和模拟仿真，其中：Gambit主要是对模似的流体进行细分，即网格化；Fluent是流体模型网格化后，选择Fluent中丰富的物理模型进行模拟，求解工程实际问题。

动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。边界的运动形式可以是预先定义的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度。网格的更新过程由FLUENT根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成。在使用动网格模型时，必须首先定义初始网格、边界运动的方式并指定参与运动的区域，用边界型函数Profile定义边界的运动方式[7]。因此，动网格技术的网格模型比较简单，不需要构建滑动区域与交界面，但动边界的运动需要Profile文件驱动，网格在计算过程达到一定限度后自动进行重划分[8]。

2 仿真模型在Gambit中的网格化

仿真模型选用的是单杆活塞缸，其特点是仅在液压缸的一腔中有活塞杆，缸两腔的有腔面积不相等。因此，当压力油以相同的压力和流量分别进入缸的两腔时，活塞在两个方向的推力、运动速度都不相等。液压缸尺寸：长为300 mm，液压缸直径为50 mm，活塞的直径为28 mm.如图1所示。

图1 液压缸的简图

在仿真的过程，由于活塞杆快速缩回液压油经过液压阀直接流回油箱其压力变化较小。因此，仿真过程中只考虑活塞杆伸出过程，取活塞杆的一小段作为仿真图形，主要是观察活塞杆在相同的运动速度不同时间段内，其周围的压力场及速度场的变化对活塞杆壁面的影响。

如图2所示，在Gambit中对所画的仿真图形进行网格，首先对活塞杆的仿真图形的8条边进行网格，网格间隔为0.5，接着对整个流动区域进行网格，网格间隔为2.

图2 Gambit中的网格图

把在Gambit中的网格设置好之后，导入Fluent中观察随着时间的变化计算域中的网格变化情况，如图3～图7所示。

图3 活塞运动1s时的网格图

图4 活塞运动2s时的网格图

图5 活塞运动3s时的网格图

图6 活塞运动4s时的网格图

图7 活塞运动5s时的网格图

从上面的图中可以看到计算域内网格随着活塞杆的运动而变化，网格出现了不同程度的变形。随着时间的变化，活塞杆左边的计算域内的网格间隔变得稀疏。

3 液压缸内部流场的仿真

用Profile文件定义活塞杆的运动速度及运动时间。流动区域的计算使用Fluent流动软件，模型选取：Unsteady非稳定性型和标准k-epsilon湍流模型；46#液压油。采用的边界条件：（1）液压缸的入口压力为5 ×106Pa，出口压力为0 Pa；（2）活塞杆作为可运动的壁面。如图8可见液压缸计算域的continuity、x-velocity、y-velocity、k、epsilon的迭代残差图。

图8迭代残差图

图9 是每0.1 s对活塞杆压力变化进行监测，总共监测5 s.经过迭代计算，活塞杆壁面所受的压力的变化曲线。

图9 活塞杆在不同时间段的压力监测图

图10～图14所示为活塞杆在各个时间段内的压力云图。

图10 1s时的压力云图/Pa

图11 2s时的压力云图/Pa

图12 3s时的压力云图/Pa

图13 4s时的压力云图/Pa

图14 5s时的压力云图/Pa

从压力云图中可以看到，当流动区域的进出口压力值给定时，液压缸流动区域的压力的变化比较稳定，液压缸出口处的的液压油经过阀直接流回油箱，活塞杆的右边的压力出现了负值。

图15～图19所示为活塞杆在各个时间段内液压油流动的速度云图。

图15 1s时的速度云图/（mm/s）

图16 2s时的速度云图/（mm/s）

图17 3s时的速度云图/（mm/s）

图18 4s时的速度云图/（mm/s）

图19 5s时的速度云图/（mm/s）

当设定活塞杆的运动速度为匀速时，在液压缸与活塞杆的上下壁面留有1 mm的间隙，从上面的速度云图中，可以看到液压油从活塞杆与缸壁面缝隙间液压油的流动速度明显变大，这样会使活塞杆容易出现震动。

4 结束语

采用动网格技术对液压缸的内部流场进行数值模拟，运用Profile文件定义活塞杆的运行时间及速度，这样更加的接近液压缸的实际工作，得到的液压缸内部流动区域的压力及速度云图，为液压缸的结构优化及性能测试提供了参考。

[1]王林鸿，吴波，杨叔子，等.液压缸运动的非线性动态特征[J].机械工程学报，2007，12（43）：12-19.

[2]江帆，陈维平，王一军，等.基于动网格的离心泵内部流场数值模拟[J].流体机械，2007，17（35）：20-24.

[3]黄思，杨富翔，郭京，等.运用三维动网格技术模拟计算离心泵非定常流动[J].科技导报，2013，31（24）：33-36.

[4]管俊，黄思.基于CFD的液环真空泵两相流动性能分析[J].化工机械，2010，6（37）：755-757.

[5]石丽娜，陈志平，章序文，等.基于动网格的高压煤浆输送泵内部流场数值模拟优化研究[J].高校化学工程学报，2012，3（26）：402-411.

[6]葛如海，王桃英，许栋，等.基于动网格和UDF技术的气缸动态特性研究[J].机床与液压，2010，21（38）：12-15.

[7]李进良，李承曦，胡仁喜，等.精通FLUENT6.3流场分析[M].北京：化学工业出版社，2009.

[8]江帆，庾在海，王一军，等.转笼生物反应器流场的滑移网格与动网格计算比较[J].广州大学学报，2007，3（06）：37-41. [9]黎启柏，刘树道，吴百海，等.液压元件手册[M].北京：冶金工业出版社，1999.

Numerical Simulation of Internal Flow Field of Hydraulic Cylinder Based on Dynamic Mesh

SU Nai-quan，ZHOU Rui-qiang，CAI Ye-bin，HUANG Chong-lin，QIAO Dong-kai
（School of Electro-Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

Dynamic mesh technique is applied for numerical simulation of the flow area of hydraulic cylinder.The movement of the piston rod is defined by the profile file in the Fluent software，in which the movement speed and time.After the numerical simulation，pressure and velocity diagram of calculation domain is obtained.Simulation results can better response the internal flow field in hydraulic cylinder，and it help understand the change of the internal flow field in hydraulic cylinder for designers.

hydraulic cylinder；FLUENT；dynamic mesh；numerical simulation

TH137.51

A< class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0004-03

广东省石化装备故障诊断重点实验室开放课题GDUPTKLAB201614支持；广东省科技计划项目（2014A010106033）；广东省云机器人（石油化工）工程技术研究中心（编号2015B090903084）；广东石油化工学院青年基金项目（513090）；广东省橡塑材料制备与加工工程技术研究中心（2015B090903083）

苏乃权（1990－），男，广东湛江人，硕士研究生，研究方向为机电液智能控制。