基于浸入固體法的濕式離合器調(diào)壓閥流場(chǎng)數(shù)值仿真*

郭昌盛，林騰蛟，呂和生，何澤銀

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;2.重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263)

1 引言

調(diào)壓閥是濕式摩擦離合器液壓控制系統(tǒng)中的重要部件，其性能的好壞會(huì)直接影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的控制效果。隨著濕式摩擦離合器向大型化發(fā)展，使用的油量快速上升，對(duì)液壓系統(tǒng)中各閥件的匹配性和穩(wěn)定性有著較高的要求。離合器接脫排過(guò)程中，調(diào)壓閥內(nèi)流道流場(chǎng)普遍存在氣穴、渦流和液壓沖擊等現(xiàn)象，可能會(huì)破壞流場(chǎng)的連續(xù)性，而且可能引起噪聲和沖擊，使系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定的工作。因此有必要對(duì)調(diào)壓閥閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析。

關(guān)于液壓閥的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了較為深入的研究工作。Srikanth［1］、程立［2］、李惟祥［3］、Chattopadhyay［4］等采用Fluent或CFX軟件，分別研究了不同類型液壓閥流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性;呂和生［5］、何澤銀［6］等利用ANSYS/Flotran軟件，分析了濕式摩擦離合器二級(jí)調(diào)壓閥的內(nèi)部流場(chǎng)，得出不同開(kāi)口度下油液的壓力云圖和速度矢量圖，但該研究?jī)H局限于流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)仿真。

筆者以圖1所示的船用濕式摩擦離合器調(diào)壓閥為研究對(duì)象，借助CFX軟件對(duì)調(diào)壓閥內(nèi)流道的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，研究離合器接脫排過(guò)程中調(diào)壓閥內(nèi)潤(rùn)滑油的壓力和速度分布情況，而后通過(guò)調(diào)壓閥的油壓試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 橢球形調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)示意圖

2 浸入固體方法

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)是解決流體瞬態(tài)仿真的重要手段，在CFX軟件中，動(dòng)網(wǎng)格模型可用來(lái)模擬計(jì)算域形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問(wèn)題。邊界的運(yùn)動(dòng)形式可分為兩類:①預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)，即可以在計(jì)算前指定流體域的速度或角速度;②預(yù)先未做定義的運(yùn)動(dòng)，即邊界的運(yùn)動(dòng)要由前一步的計(jì)算結(jié)果依次迭代得出。浸入固體法(immersed solids)屬于第一類情況，該方法不需要任何網(wǎng)格變形或重構(gòu)，可方便的模擬出固體在流體中的任意運(yùn)動(dòng)。

浸入固體邊界如圖2所示。圖中填充區(qū)域表示浸入固體域表面穿透的單元(NIBG)，未填充區(qū)域表示直接和NIBG單元相鄰的單元;弧線AB為浸入固體邊界;IW為壁面內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn);IW'為壁面內(nèi)側(cè)點(diǎn);IB為浸入固體邊界點(diǎn);NW為靠近壁面節(jié)點(diǎn);FL為流體域節(jié)點(diǎn);FL'為流體域點(diǎn);Δy為沿著浸入固體表面法線方向上NW節(jié)點(diǎn)到IB點(diǎn)的壁面距離［7-8］。

圖2 浸入固體邊界示意圖

浸入固體表現(xiàn)為一個(gè)流體方程的源項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)流體的速度以匹配固體的速度，源項(xiàng)的大小受動(dòng)量源縮放因子設(shè)置的控制。浸入固體方法基本公式如下:

式中:k為湍流動(dòng)能;u+為近壁速度;y*為到壁面的無(wú)量綱距離，要求不小于11.06，其中11.06是對(duì)數(shù)方程和線性方程的交界點(diǎn);ν是運(yùn)動(dòng)黏度;κ為Karman常數(shù)，其值為0.41;C為與壁面粗糙度有關(guān)的常數(shù);(uFNW)Tang為NW節(jié)點(diǎn)處流體域受迫運(yùn)動(dòng)速度的切向分量;(uIMSIB)Tang為浸入固體邊界上IB點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)速度切向分量;(uFL)Tang為流體域FL節(jié)點(diǎn)處受迫運(yùn)動(dòng)速度的切向分量;(uIMSIB)Norm為浸入固體邊界上IB點(diǎn)處速度的法向分量，計(jì)算中可作為NW節(jié)點(diǎn)處流體域受迫運(yùn)動(dòng)速度的法向分量。

利用上述公式，可根據(jù)浸入固體域的速度得到流體域速度。

3 模型建立及計(jì)算條件設(shè)置

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)橢球形調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Pro/E中分別建立調(diào)壓閥的流體域和固體域模型，而后將模型導(dǎo)入到ANSYS/Flotran中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高計(jì)算精度，應(yīng)盡量采用六面體單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并對(duì)模型中速度和壓力梯度較大處進(jìn)行網(wǎng)格加密，流體域共計(jì)143 041個(gè)節(jié)點(diǎn)，143 994個(gè)單元，固體域共計(jì)64 621個(gè)節(jié)點(diǎn)，81 292個(gè)單元。圖3所示給出了調(diào)壓閥流體域和固體域的實(shí)體模型及對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格。

圖3 調(diào)壓閥流體域和固體域的模型及網(wǎng)格

3.2 計(jì)算條件設(shè)置

將上述調(diào)壓閥網(wǎng)格模型導(dǎo)入到CFX軟件中，分別設(shè)置流體域和固體域的邊界條件。

流體域的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:計(jì)算模型采用RNG k-ε湍流模型，潤(rùn)滑油采用CD40柴油機(jī)油，當(dāng)溫度為58℃時(shí)，密度為880 kg·m-3，比熱為1 600 J·(kg·K)-1，導(dǎo)熱系數(shù)為0.144 W·(m·K)-1，運(yùn)動(dòng)粘度為43.448 mm2/s，動(dòng)力粘度為0.038 23 kg·(m·s)-1。邊界條件為入口速度3.16 m/s和出口壓力0 MPa，參考?jí)毫χ等∫粋€(gè)大氣壓值，壁面采用無(wú)滑移絕熱壁面邊界。

固體域的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:設(shè)定動(dòng)量源縮放因子為默認(rèn)值10.0，固體域類型為Immersed Solid，運(yùn)動(dòng)軌跡為Specified Displacement。調(diào)壓閥初始開(kāi)口度為11.24 mm時(shí)閥芯的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 調(diào)壓閥的閥芯運(yùn)動(dòng)軌跡

4 流場(chǎng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 調(diào)壓閥流場(chǎng)仿真結(jié)果分析

圖5所示為離合器接脫排過(guò)程中調(diào)壓閥內(nèi)流道的油壓云圖，圖5(a)～(c)分別為離合器處于接排階段、接排完成階段和脫排階段的情況。由圖5可知，接排過(guò)程中調(diào)壓閥油壓逐漸增加，脫排過(guò)程中油壓逐漸減小;油液經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥閥口后壓力明顯下降，并在閥口右側(cè)形成低壓區(qū)，極易產(chǎn)生空穴和氣蝕現(xiàn)象，誘發(fā)閥體振動(dòng)并發(fā)出噪聲。

圖5 調(diào)壓閥內(nèi)流道的油壓云圖

圖6給出了離合器接排完成時(shí)調(diào)壓閥流體域的流線圖。可知油液流經(jīng)閥口時(shí)速度快速上升，經(jīng)過(guò)閥口，一部分油液順利流向出口，另一部分油液由于出口腔流道受阻而回流，形成渦流。渦流的存在將加劇能量的損失，應(yīng)盡量避免。

圖6 調(diào)壓閥內(nèi)流道的流線圖

離合器接脫排過(guò)程中，調(diào)壓閥內(nèi)流道油液的湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率分別如圖7、8所示。在其接排過(guò)程中調(diào)壓閥湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率逐漸增大，接排完成后趨于穩(wěn)定，脫排時(shí)逐漸減小。

圖7 調(diào)壓閥內(nèi)流道油液的湍動(dòng)能

4.2 調(diào)壓閥入口油壓試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，有必要進(jìn)行調(diào)壓閥工作油壓試驗(yàn)。試驗(yàn)在如圖9所示的齒輪箱綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)由直流電機(jī)、萬(wàn)向聯(lián)軸器、試驗(yàn)齒輪箱、增速齒輪箱、水力測(cè)功器以及液壓站等組成。直流電機(jī)由控制臺(tái)進(jìn)行加載;試驗(yàn)負(fù)荷由水力測(cè)功器加載;測(cè)試的儀器包含溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)及油壓測(cè)試儀等。試驗(yàn)時(shí)，控制齒輪箱冷卻器的進(jìn)水量來(lái)保證油溫穩(wěn)定在58℃。圖10為調(diào)壓閥油壓試驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比曲線，可見(jiàn)兩者吻合良好。

圖8 調(diào)壓閥內(nèi)流道油液的湍動(dòng)能耗散率

圖9 齒輪箱綜合性能試驗(yàn)臺(tái)

圖10 調(diào)壓閥油壓試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

采用CFX軟件，對(duì)離合器接脫排過(guò)程中調(diào)壓閥內(nèi)潤(rùn)滑油的壓力和速度分布情況進(jìn)行仿真分析，得出油液流經(jīng)閥口后壓力明顯下降，并在閥口右側(cè)形成低壓區(qū)，流速迅速上升，并伴有渦流和回流現(xiàn)象的結(jié)論。

在齒輪箱綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了調(diào)壓閥油壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了此仿真方法的準(zhǔn)確度。

［1］ Srikanth C，Bhasker C.Flow Analysis in Valve with Moving Grids Through CFD Techniques［J］.Advances in Engineering Software，2009，40(3):193-201.

［2］ 程 立，林玉龍，劉 洋，等.基于CFD的節(jié)流閥防刺短節(jié)的流場(chǎng)分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(5):23-25.

［3］ 李惟祥，劉曉紅，鄧 斌.基于CFD的液壓錐閥動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2011，31(6):25-28.

［4］ Chattopadhyay H，Kundu A，Saha B K，et al.Analysis of Flow Structure Inside a Spool Type Pressure Regulating Valve［J］.Energy Conversion and Management，2012，53(1):196-204.

［5］ 呂和生.船用濕式多片摩擦離合器耦合分析及試驗(yàn)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2010.

［6］ 何澤銀.濕式摩擦離合器調(diào)壓閥流場(chǎng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.重慶:重慶大學(xué)，2010.

［7］ ANSYS Inc.Release 14.0 documentation for ANSYS［Z］.USA，ANSYSInc，2011.

［8］ 謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYSCFX流體分析及仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.