動圈式伺服閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

黃 浩,姚 筆,金曉宏,楊 陽

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院,湖北武漢,430081)

電液伺服閥因其具有體積小、功率放大率高、直線性好、死區(qū)小、響應(yīng)速度快、運(yùn)動平穩(wěn)、能適應(yīng)模擬量和數(shù)字量調(diào)制等優(yōu)點(diǎn),在冶金、航空等行業(yè)中都得到廣泛應(yīng)用[1-2]。本文運(yùn)用Fluent軟件,對動圈式電液伺服閥(簡稱動圈閥)中的流體進(jìn)行分析,研究其前置級滑閥在運(yùn)動過程中內(nèi)部流場的分布特性。

1 動圈閥前置級滑閥結(jié)構(gòu)

動圈閥的主滑閥兼作前置級滑閥的閥套(如圖1所示),在平衡位置時,節(jié)點(diǎn)a和b的壓力相同,主滑閥保持不動。如果前置級滑閥在動圈作用下向左運(yùn)動,a點(diǎn)壓力降低,b點(diǎn)壓力上升,主滑閥隨之向左運(yùn)動。由于主滑閥又兼作前置級滑閥的閥套(位置反饋),故當(dāng)主滑閥向左移動的距離與前置級滑閥一致時,主滑閥停止運(yùn)動。同樣,在前置級滑閥向右運(yùn)動時,主滑閥也隨之向右移動相同的距離[3]。

圖1 動圈式伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic structure of moving coil servo valve

2 建模

為了研究前置級滑閥在這一過程中內(nèi)部流場的分布規(guī)律,在建立數(shù)值分析模型時,主要考慮前置級滑閥閥芯在運(yùn)動過程中與主滑閥形成的閥口的變化給內(nèi)部流場帶來的影響,因此根據(jù)前置級滑閥實(shí)際工作時與主閥芯(前置級的閥套)的配合,忽略主閥芯和主閥套的配合,將模型簡化,如圖2所示。

圖2 滑閥模型簡化圖(中位)Fig.2 Simplification model of spool valve(in the middle position)

圖3 滑閥網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Mesh of spool valve

模型建好后,采用Fluent前處理器Gambit軟件生成網(wǎng)格,如圖3所示。為了更加準(zhǔn)確地模擬前置級滑閥在運(yùn)動過程中流場的瞬態(tài)變化,采用動態(tài)網(wǎng)格的計算方式,運(yùn)用C語言編寫閥芯的運(yùn)動函數(shù)并在Fluent中進(jìn)行編譯,分別將閥芯運(yùn)動區(qū)域中需要壓縮或拉伸的各邊(包括Wall和Axis上的各條線段)設(shè)置為變形體(Deforming),再將閥芯上需要移動的部分統(tǒng)一設(shè)置為剛性體(Rigid Body),使用UDF文件加載并控制此運(yùn)動,閥芯從中位開始直到閥口趨于關(guān)閉(運(yùn)動距離約為1 mm,時間約為20 MS)[4]。

閥芯的運(yùn)動方程為:

式中:S為閥芯的運(yùn)動距離,mm;t為運(yùn)動時間,MS;υ0為閥芯在X方向的運(yùn)動速度,mm/s;a=(F±Ff)/m,其中:F為電磁力,N;Ff為液體阻力,N;m為導(dǎo)閥芯質(zhì)量,kg。

網(wǎng)格劃分好以后,根據(jù)動圈式伺服閥在工作中的實(shí)際情況,為確保模擬的精確性,建立了如下的邊界條件:

(1)將導(dǎo)閥入口P(inlet)定義為速度入口邊界條件。一方面是為了能夠較為精確地模擬出閥體內(nèi)部的流場情況(速度入口邊界條件用于定義流動入口邊界的速度和標(biāo)量),另一方面在閥體實(shí)際的工作狀況中,流體的速率波動比壓力波動要小。

(2)將導(dǎo)閥出口T(outlet)定義為壓力出口邊界條件。這是因?yàn)閴毫τ徒?jīng)過閥體后進(jìn)入液壓缸(或馬達(dá))后,它的壓力是相對穩(wěn)定的(僅有閥體的壓力損失),壓力出口邊界條件適用于壓力已知但是流動速度或速率未知的情況[5-6]。

計算過程中對流體和流動狀態(tài)進(jìn)行了如下設(shè)置:①流動狀態(tài)為層流;②流場中的流動是單相流,且不可壓縮;③流體與壁面接觸的邊界為移動壁面。

在設(shè)定好邊界條件后,通過連續(xù)性方程和動量方程,對流道進(jìn)行迭代計算。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 流道流場模擬結(jié)果

圖4為迭代計算過程中流體的動態(tài)殘差圖和質(zhì)量監(jiān)測圖。殘差曲線和質(zhì)量流量是衡量計算收斂的主要指標(biāo)。從圖4中可以明顯看出,迭代180次后,殘差監(jiān)測變化曲線趨于收斂,出口質(zhì)量流量在迭代50次后也達(dá)到穩(wěn)定值,可見仿真計算已經(jīng)趨于收斂。

圖4 殘差和質(zhì)量監(jiān)測變化曲線Fig.4 Monitoring curve of residual and mass

圖5所示為不同時刻的仿真結(jié)果。從圖5中可以清晰地看出,隨著前置級滑閥閥芯的運(yùn)動,當(dāng)t約為4 MS時,左邊的流腔在圖5(a)中1點(diǎn)處出現(xiàn)了漩渦區(qū),這是由于隨著閥口通流面積的減小,雖然流速增加,但流過閥口的流量總體減小,導(dǎo)致有一部分流體在閥肩的凸起處出現(xiàn)回流,回流量增加到一定時,漩渦就出現(xiàn)了。而當(dāng)t約為8 MS時,圖5(b)中閥口2點(diǎn)處也出現(xiàn)了漩渦,閥口愈來愈小,漩渦的面積越來越大,也越來越明顯。并且在前置級滑閥向右移動的過程中,開始時兩邊的流速一樣,流體能夠同時到達(dá)閥腔的中間。隨著左邊閥口的變小、右邊閥口的增大,兩邊流體的速度出現(xiàn)了差異(左邊快,右邊慢),流體流過的橫向距離也發(fā)生了明顯的變化,左邊的流體由閥腔中間逐漸向右邊侵蝕,右邊的流體流過的橫向距離減小,在跡線圖中表現(xiàn)為左邊的一股流體越來越粗,右邊的則越來越細(xì),如圖5(c)中3點(diǎn)處所示。但是流量的變化卻剛好相反,左邊的通流面積不斷減小,右邊的通流面積不斷增大,這一矛盾也正好解釋了閥口下方漩渦的面積越來越大的現(xiàn)象。閥口接近關(guān)閉的時刻(t約為20 MS),左邊主流與壁面脫離的現(xiàn)象很嚴(yán)重,而右邊這一現(xiàn)象不太明顯。

3.2 仿真結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性,根據(jù)不同時刻流過前置級滑閥閥口的流體流量,運(yùn)用下列理論流量公式加以驗(yàn)證:

圖5 不同時刻流體跡線圖Fig.5 Tracing line at different times

式中:Q為流過閥口的流量,L/m in;m為質(zhì)量流量,kg/s;Cq為流量系數(shù);Av為閥門的有效通流面積,mm2;ΔP為閥口前后的壓差,Pa;ρ為流過閥口的流體密度,kg/m3。

由式(3)可得:

理論上,在相同時刻,不同流體的Av和ΔP是一樣的,又由于水的密度ρH2O為998.2 kg/m3,而四氧化二氮的密度ρN2O為1 450 kg/m3,故

采用兩種不同的介質(zhì)(H2O和N2O4),從閥口中位趨向關(guān)閉的運(yùn)動過程中,使用Fluent仿真得到出口(outlet)處流體的質(zhì)量流量圖,如圖6所示。由圖6(a)和圖6(b)中的數(shù)據(jù)可計算出流經(jīng)閥口的H2O和N2O4質(zhì)量流量比的仿真值。

圖6 質(zhì)量流量圖Fig.6 Mass flow diagram

表1 流經(jīng)閥口的H2 O和N2 O4質(zhì)量流量比值Table.1 Ratios of mass flow of H2 O and N2O4

表1給出了閥門從中位趨向關(guān)閉過程中,某一時刻兩種介質(zhì)質(zhì)量流量比的仿真值及其與理論值的偏差。從表1中可以看出,在給定的運(yùn)動時間范圍內(nèi),質(zhì)量流量比的仿真值和理論值的最大偏差僅為0.022%。這是由于仿真過程中,不同介質(zhì)的物理性質(zhì)(黏性、比熱容等)都對壓差和流量有一定影響,所以比值會有所差異,但總體來說誤差不大,表明仿真結(jié)果比較客觀、準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

本文對動圈伺服閥的前置級滑閥內(nèi)部流場進(jìn)行了仿真分析。由分析結(jié)果可知,對于一個精確的電液伺服閥模型,運(yùn)用Fluent軟件對其進(jìn)行不同輸入條件的數(shù)值模擬計算,能夠得到較為準(zhǔn)確的速度矢量和質(zhì)量流量圖。與傳統(tǒng)的分析方式相比,Fluent軟件可以更為迅速、可靠地分析出電液伺服閥的特性,為伺服閥的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

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