基于CFD的液壓滑閥閥口處流場研究

王 輝，潘生根（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

基于CFD的液壓滑閥閥口處流場研究

王 輝，潘生根
（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

采用CFD方法對一種錐形閥口滑閥內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值仿真計算，分析了在固定條件下其閥口處流場分布情況，并從閥口開度及結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面對影響閥口處流場分布進(jìn)行了分析比較。研究結(jié)果表明：其閥口處流體流動情況復(fù)雜，流場在其軸向及徑向分布不均衡，受閥口開度及結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面的影響；可通過優(yōu)化閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變閥口開度來改善閥口處流場分布狀況，抑制氣穴及旋渦的產(chǎn)生與發(fā)展，減小壓降及能耗。

CFD；錐形閥口；流場分布；閥口開度；結(jié)構(gòu)參數(shù)

在液壓系統(tǒng)中，用各種液壓閥來控制液流的流動方向、壓力、流量等，從而控制整個液壓系統(tǒng)的全部性能[1]。而液壓滑閥是液壓系統(tǒng)中使用最廣泛的一種基礎(chǔ)控制元件。在其工作過程中，閥內(nèi)的流體流動特性直接影響著元件乃至整個液壓系統(tǒng)的性能。特別是當(dāng)流體流經(jīng)閥口時，其流動現(xiàn)象復(fù)雜，會產(chǎn)生壓降和能耗，并使系統(tǒng)發(fā)熱，若流道設(shè)計不好還會引起空化，產(chǎn)生噪聲并腐蝕閥芯[2]。因此從流場微觀角度對液壓油流經(jīng)閥口時的流場特性進(jìn)行研究，對改善閥口處的流場特性及提高閥的工作性能具有積極的意義。

CFD技術(shù)的快速發(fā)展及流場顯示技術(shù)的進(jìn)步為深入研究液壓元件內(nèi)部復(fù)雜流場提供了有力手段[3]。本文運(yùn)用CFD軟件FLUENT對一種工程機(jī)械中常用的錐形閥口滑閥進(jìn)行流場仿真，分析在固定條件下閥口處流場分布情況，并從閥口開度及結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面對閥口處流場分布的影響進(jìn)行了分析研究。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對液壓滑閥閥口處流場進(jìn)行了大量的研究[4-6]，但大多屬于傳統(tǒng)圓柱形滑閥，而對多數(shù)異形閥口滑閥的研究還較少，特性研究還不夠深入、不夠完善等，因此本文的研究工作可對異形閥口滑閥的優(yōu)化設(shè)計提供重要的理論依據(jù)及實際參考價值。

1 CFD模型及解析假定

1.1 CFD分析模型

模型的建立應(yīng)盡可能反映計算對象的本質(zhì)，并能夠進(jìn)行數(shù)值解析。本文中的錐形閥口滑閥在盡量反映了滑閥內(nèi)流道真實結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上給定幾何參數(shù)，其二維結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由閥芯和閥體等組成，其中x為閥口開度，β為閥口錐角，α為閥口長度，b為閥桿長度，其他各參數(shù)值如圖1所示，單位均為mm。從圖中可看出此滑閥閥口呈現(xiàn)錐形，在流體流過閥口時能起到導(dǎo)流和節(jié)流作用，且其具有流量增益曲線平緩，在一定范圍內(nèi)線性度好，可減小滑閥換向液壓沖擊、振動等特點而在工程閥領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。流體流過閥體流道的三維幾何模型用catia建立，由于滑閥內(nèi)部流動具有對稱性，只仿真其中的一半流動區(qū)域，以提高計算效率，節(jié)省計算機(jī)內(nèi)存。圖2為β= 20°、α=6 mm、b=13 mm，x=3 mm時所對應(yīng)的滑閥流體區(qū)域CFD分析模型。

圖1 滑閥二維結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 2-D structure scheme of spool valve

1.2 解析假定

為使數(shù)值解析可行，在對實際模型進(jìn)行仿真計算時必須進(jìn)行必要的簡化和假設(shè)。在分析問題的允許計算誤差范圍內(nèi)，對本模型做了如下解析假定：

1）假設(shè)該錐形閥口滑閥為理想液壓滑閥，閥芯與閥體配合精確、無徑向間隙、無泄漏。

2）流動介質(zhì)選用10號航空液壓油，密度為850 kg/m3，運(yùn)動粘度為10 mm2/s。

3）該液壓油的壓縮性非常小，在計算中可完全忽略其壓縮性的影響，為不可壓縮的恒定牛頓流體。

4）經(jīng)計算此模型中的最低雷諾數(shù)大于30 000，遠(yuǎn)大于滑閥閥口處臨界雷諾數(shù)260，故滑閥內(nèi)流動狀態(tài)為湍流，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

5）采用SIMPLE方法對離散方程進(jìn)行求解，計算殘差為0.000 1。

6）與流體接觸的邊界壁面為靜止壁面，進(jìn)口邊界條件為壓力入口10 MPa，出口邊界條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2 網(wǎng)格劃分

初始計算網(wǎng)格由GAMBIT軟件生成，采用四面體與六面體混合網(wǎng)格劃分方法。由于滑閥閥口及流道拐角處壓力、速度變化大，為獲得更好的求解精度，采用FLUENT的網(wǎng)格自適應(yīng)功能對初始網(wǎng)格再進(jìn)行細(xì)化處理。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 固定條件下閥口處流場仿真結(jié)果分析

為分析在固定條件下閥口處流場分布情況，使β=20°、a=6 mm、b=13 mm、x=3.5 mm時對閥進(jìn)行流場仿真。本文如無特殊說明所有仿真結(jié)果中壓力單位為Pa，速度單位為m/s。

3.1.1 閥口處壓力場分布情況分析

由于閥口區(qū)域結(jié)構(gòu)對稱，取對稱面閥口下方流道區(qū)域來分析閥口處軸向壓力分布情況，取在軸向離閥口端面左邊2 mm處的半圓環(huán)流道來分析閥口處徑向壓力分布情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 閥口區(qū)域壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution of valve port domain

從圖3（a）中可看出流體流經(jīng)節(jié)流口時，由于節(jié)流收縮作用，流速增大壓力急劇降低，并在附近形成低壓區(qū)，遠(yuǎn)離低壓區(qū)節(jié)流口后方區(qū)域壓力又逐漸緩慢增加，但由于閥芯凹角處有旋渦的形成，旋渦中心壓力降低。從圖3（b）中可看出閥口區(qū)域徑向壓力分布呈現(xiàn)從閥口上方至閥口下方，從閥芯壁面至閥體壁面逐漸遞減趨勢，這是因為在閥口區(qū)域形成射流，使得閥芯壁面受到流線的擠壓而閥體壁面與流線脫空，流速從閥口上方至閥口下方在逐漸增大。閥口區(qū)域這種軸向和徑向壓力分布的不均衡，將對閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力和徑向力產(chǎn)生影響。

3.1.2 閥口處速度場分布情況分析

同理取對稱面閥口下方流道區(qū)域來分析閥口處軸向速度分布情況，取在軸向離閥口端面左邊2 mm處的徑向半圓環(huán)流道來分析閥口徑向速度分布情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 閥口區(qū)域速度分布圖Fig.4 Velocity distribution of valve port domain

從圖4（a）中可看出流體在流經(jīng)節(jié)流口時速度急劇增加，并在靠近閥芯壁面處形成高速區(qū)，在流過過流斷面后速度明顯減小，而在閥芯凹角處分布著低速區(qū)。從圖4（b）中可看出流體在流過節(jié)流口時形成射流，且射流角等于閥口錐角，并在過流斷面突變處與壁面發(fā)生了脫離現(xiàn)象，而在閥芯凹角處還有旋渦生成，在射流區(qū)至閥體壁面之間區(qū)域存在著回流，回流的存在有利于補(bǔ)充該區(qū)域的壓力，降低氣穴發(fā)生的幾率。從圖4（c）中可看出，從閥口上方至閥口下方的對應(yīng)區(qū)域流速在逐漸增大，且高速區(qū)分布在閥芯壁面處，這是由于錐形閥口的導(dǎo)流和在節(jié)流口處的節(jié)流作用，導(dǎo)致高速射流貼著閥芯壁面流動。

3.2 不同條件下閥口處流場仿真結(jié)果分析

3.2.1 閥口開度

為研究閥口開度對閥口處流場分布的影響，保持β=20°、α=6 mm、b=13 mm固定不變，只改變閥口開度x。圖5為在閥口開度為1.5 mm、3 mm、4.5 mm、6 mm時所得仿真結(jié)果的對稱面閥口下方區(qū)域流場分布圖。

從圖5（a）中可看出，隨著閥口開度的增加，節(jié)流口處的低壓區(qū)縮小，壓力升高，負(fù)壓消失，整體壓力分布趨向均勻，閥口前后壓差減小壓降降低，并當(dāng)開口增大到一定時，最低壓的位置由節(jié)流口處遷移至閥芯凹角旋渦中心，因此可改變閥口開度來改變閥口區(qū)域的壓力分布狀況。從圖5（b）中可看出，隨著閥口開度的增加，閥口處最大速度在減小，高速區(qū)范圍在增大，速度分布趨向均勻，這是由于在其他條件不變的情況下，隨著閥口開度的增加，節(jié)流口不斷往閥口端面移動，使流體流過節(jié)流口時過流面積增加，節(jié)流收縮作用減弱，閥口處流速減小，壓力升高。從圖5（c）中可看出，隨閥口開度的增加，閥口處射流角保持不變且都等于閥口錐角，而閥芯凹角旋渦分布也幾乎不變，這是由于錐形閥口的導(dǎo)流作用，使射流始終沿著閥芯壁面流動。

3.2.2 閥口錐角

為研究閥口錐角對閥口處流場分布的影響，保持α=6 mm，b=13 mm不變，開口均為全開狀態(tài)，只改變閥口錐角β。圖6為在閥口錐角β為10°、15°、20°、25°時所得仿真結(jié)果的對稱面閥口下方區(qū)域流場分布圖。

從圖6（a）中可看出，當(dāng)閥口錐角較小時閥芯凹角旋渦中心出現(xiàn)負(fù)壓，而隨著閥口錐角的增加，該處壓力增大負(fù)壓消失，閥口其他區(qū)域壓力也隨之增大。從圖6（b）中可看出，隨著閥口錐角的增加，閥口處最大速度減小，分布趨向均勻，這是因為在其他條件不變的情況下，隨著閥口錐角的增大，節(jié)流口至閥芯壁面的距離增加，導(dǎo)致流體流過節(jié)流口時的過流面積增加，節(jié)流收縮作用減弱，使得閥口處流速減小，壓力升高。從圖6（c）中可看出，隨著閥口錐角的增加，閥口處射流角也增加且等于閥口錐角，而閥芯凹角旋渦區(qū)卻逐漸縮小。

圖5 不同開度的對稱面閥口下方區(qū)域流場分布圖Fig.5 Flow field distribution of the symmetry surface of valve port lower domain at different openings

圖6 不同錐角的對稱面閥口下方區(qū)域流場分布圖Fig.6 Flow field distribution of symmetry surface of valve port lower domain at different cone angles

3.2.3 閥口長度

為研究閥口長度對閥口處流場分布的影響，在閥口開度和錐角相同的情況下，增大閥口長度a的同時相應(yīng)減小閥桿b的長度，這樣保證出油腔結(jié)構(gòu)位置的不變，避免其他因素的影響。圖7是當(dāng)β=20°，x= 2.5 mm，a、b分別為4 mm、15 mm；6 mm、13 mm；8 mm、11 mm；10 mm、9 mm時所得仿真結(jié)果的對稱面閥口下方區(qū)域流場分布圖。

圖7 不同長度的對稱面閥口下方區(qū)域流場分布圖Fig.7 Flow field distribution of the symmetry surface of valve port lower domain at different lengths

從圖7（a）中可看出，隨著閥口長度的增加，節(jié)流口處右邊區(qū)域低壓區(qū)明顯縮小，壓力升高，且最低壓由負(fù)壓升高到正壓，而節(jié)流口處左邊區(qū)域壓力分布幾乎保持不變。從圖7（b）中可看出，隨著閥口長度的增加，閥口處最大速度減小，這是由于在其他條件不變的情況下，隨著閥口長度的增加，雖節(jié)流口處的過流面積始終未變，但閥口長度的增加，對粘性流體流動的阻礙作用增強(qiáng)，使得閥口處最大流速減小，最低壓力升高。從圖7（c）中可看出，隨閥口長度的增加，閥口處射流角保持不變，而閥芯凹角旋渦區(qū)逐漸變小甚至消失。

4 流場仿真分析

通過對一種錐形閥口滑閥的流場仿真，分析了其閥口處壓力場、速度場及旋渦分布情況，并從閥口開度及結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面對影響閥口處流場分布進(jìn)行了比較分析，可以得出以下結(jié)論。

1）閥口處流體流動情況復(fù)雜，存在高速射流、分離流、回流、旋渦及局部低壓現(xiàn)象，甚至還有氣穴氣蝕發(fā)生的可能。

2）壓力場和速度場在閥口處分布不均衡，在軸向及徑向分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

3）閥口處壓力場分布的影響：隨閥口開度、長度和錐角的增加，閥口處低壓區(qū)縮小，最低壓力值升高，閥口前后差壓減小，壓降降低。

4）閥口處速度場分布的影響：隨閥口開度、長度和錐角的增加，閥口處最大速度減小，分布趨向均勻，且射流角基本等于閥口錐角，閥口開度及長度對射流角幾乎無影響。

5）閥口處旋渦分布的影響：隨閥口長度和錐角的增加，閥芯凹角旋渦區(qū)逐漸減小甚至消失，而閥口開度對其旋渦分布幾乎無影響。

5 結(jié)語

在此種錐形閥口滑閥的設(shè)計過程中，可通過優(yōu)化閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變閥口開度來改善閥口處流場分布狀況，抑制氣穴及旋渦的產(chǎn)生與發(fā)展，減小壓降及能耗。考慮到此種閥的特殊性及CFD理論模型與實際情況的差異，在具體優(yōu)化設(shè)計過程中，還應(yīng)采用相應(yīng)的實驗方案對優(yōu)化模型進(jìn)行結(jié)果驗證分析。而在采用理論結(jié)論優(yōu)化時，當(dāng)閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)在互不關(guān)聯(lián)范圍內(nèi)時，取各參數(shù)范圍內(nèi)的最大值即最優(yōu)值；而當(dāng)閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)在互關(guān)聯(lián)范圍內(nèi)時，應(yīng)多次取其優(yōu)值，并將各次優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而得出閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳優(yōu)化匹配。

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Research of flow field in orifice of hydraulic spool valve based on CFD

WANG Hui，PAN Sheng-gen
（College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

The numerical simulation computation of flow field in a conical spool valve was carried，which was based on CFD approach.The simulation results of flow field distribution under fixed condition were analyzed，and the influence of opening and structural parameters of valve port on the flow field distribution in valve port were also analyzed and compared.The results show that the fluid flows complicatedly in valve port，the flow field distribution is uneven in the axial and radial and affected by the opening and structural parameters of valve port；optimizing the structural parameters of valve port and changing the valve opening can improve the flow field distribution in valve port，prevent the cavitation and the vortex forming and developing，reduce pressure loss and energy consumption.

CFD；conical valve port；flow field distribution；valve opening；structural parameter

TP391

A

1674－5590（2013）01－0067－06

2012-06-06；

2012-09-05

中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項基金項目（ZXH2010D023）

王 輝（1966—），男，遼寧本溪人，教授，博士，研究方向為飛行系統(tǒng)仿真.