定長(zhǎng)沖跑控制閥穩(wěn)壓過(guò)程仿真研究

王 輝，襲 安

(中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

定長(zhǎng)沖跑控制閥穩(wěn)壓過(guò)程仿真研究

王 輝，襲 安

(中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

基于Fluent軟件對(duì)液壓阻攔系統(tǒng)的核心部件——定長(zhǎng)沖跑控制閥進(jìn)行仿真研究。建立基于動(dòng)網(wǎng)格的內(nèi)部流道的三維模型，利用Fluent軟件對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部流道三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬。采用彈簧光順和局部網(wǎng)格重構(gòu)方法結(jié)合Profile運(yùn)動(dòng)邊界驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格區(qū)域運(yùn)動(dòng)，計(jì)算穩(wěn)壓階段的進(jìn)口壓強(qiáng)，為定長(zhǎng)沖跑控制閥設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

定長(zhǎng)沖跑控制閥；Fluent；動(dòng)網(wǎng)格

0 引 言

定長(zhǎng)沖跑控制閥是液壓阻攔系統(tǒng)的核心部件，在飛機(jī)阻攔降落過(guò)程中通過(guò)定長(zhǎng)沖跑控制閥的調(diào)壓作用，使艦載機(jī)在沖跑過(guò)程中獲得穩(wěn)定阻攔力。在艦載機(jī)于預(yù)定位置攔停的同時(shí)，穩(wěn)定的阻攔力保證飛機(jī)與飛行員不受過(guò)大的負(fù)載，避免飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞，確保飛行員安全。

當(dāng)前，對(duì)于航母阻攔裝置的研究主要集中在阻攔過(guò)程中的艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和阻攔索動(dòng)力學(xué)方面[1-2]，在定長(zhǎng)沖跑控制閥凸輪控制線的研究中，利用Mk7-1型阻攔機(jī)的凸輪控制線同比放大求解出Mk7-3型的凸輪控制線[2,5-6]。本文利用Fluent軟件對(duì)定長(zhǎng)沖跑控制閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究。假設(shè)艦載機(jī)在定長(zhǎng)沖跑控制閥產(chǎn)生穩(wěn)定壓強(qiáng)差的階段處于勻減速運(yùn)動(dòng)，計(jì)算出活塞速度和閥芯運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)Fluent軟件數(shù)值仿真得到進(jìn)口壓強(qiáng)，通過(guò)觀察壓強(qiáng)是否平穩(wěn)，來(lái)判斷阻攔力的穩(wěn)定情況，對(duì)定長(zhǎng)沖跑控制閥的研究有重要的指導(dǎo)意義。

1 定長(zhǎng)沖跑控制閥

圖1 定長(zhǎng)沖跑控制閥Fig.1 Constant runout control valve

艦載機(jī)的阻攔過(guò)程按以下方式完成：當(dāng)著艦鉤掛上任意1根攔阻索后，艦載機(jī)向前的沖跑帶動(dòng)阻攔索向前運(yùn)動(dòng)，攔阻索產(chǎn)生的拉力傳遞給滑輪索，滑輪索進(jìn)一步帶動(dòng)主液壓缸活塞及動(dòng)滑輪組向安裝在阻攔機(jī)另一端的定滑輪組方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)活塞的運(yùn)動(dòng)會(huì)迫使主液壓缸的油液經(jīng)過(guò)定長(zhǎng)沖跑控制閥流入到儲(chǔ)能器中，油液經(jīng)過(guò)定長(zhǎng)沖跑控制閥的流量是按照預(yù)先設(shè)定的值流入儲(chǔ)能瓶中的，這樣可以使整個(gè)阻攔過(guò)程平穩(wěn)而安全，最后艦載機(jī)被安全地?cái)r停在期望的位置。

定沖跑控制閥由閥體、閥體支柱和重量選擇器組成。閥體主要由閥套、閥芯和閥座組成。通過(guò)閥芯與閥座之間的節(jié)流面積有效地控制油液的壓力差，產(chǎn)生飛機(jī)降落所需的阻攔力，達(dá)到穩(wěn)定壓力的作用。調(diào)壓的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)向下作動(dòng)的節(jié)流閥。

閥體支柱由凸輪和上、下?lián)u塊及柱塞組成的搖臂機(jī)構(gòu)2部分組成。其中凸輪安裝在水平方向的凸輪軸上，工作時(shí)，在鏈輪的帶動(dòng)下，凸輪繞著凸輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪線型的變化就可以控制閥口的關(guān)閉規(guī)律。

重量選擇器是為應(yīng)對(duì)不同降落重量的艦載機(jī)所設(shè)計(jì)的。設(shè)置重量選擇器的值，通過(guò)搖塊調(diào)節(jié)錐閥的初始開(kāi)口度以及閥芯的運(yùn)動(dòng)速度；預(yù)開(kāi)口大小的調(diào)節(jié)，使得阻攔力大小適應(yīng)飛機(jī)重量的變化；而臂長(zhǎng)比的改變，保證重量設(shè)置不同時(shí)閥口的關(guān)閉時(shí)機(jī)相同[3]。

文中定長(zhǎng)沖跑控制閥的幾何參數(shù)參照Mk7-3型阻攔裝置，Mk7-3型阻攔裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥參數(shù)[4]見(jiàn)表1。

表1 Mk7-3型阻攔裝置參數(shù)

2 活塞運(yùn)動(dòng)速度

假設(shè)艦載機(jī)著艦后，著艦鉤正好掛住甲板上阻攔索的中點(diǎn)位置，則t時(shí)刻位置關(guān)系如圖2所示。圖中，Lt為t時(shí)刻艦載機(jī)的位移，L0為零時(shí)刻阻攔索甲板上長(zhǎng)度的一半，L為t時(shí)刻甲板上阻攔索的長(zhǎng)度。

圖2 t時(shí)刻艦載機(jī)位置示意圖Fig.2 Schematically carrier aircraft position at time t

艦載機(jī)著艦后t時(shí)刻，阻攔索和飛機(jī)位移滿足如下關(guān)系：

(1)

t時(shí)刻，滑輪索被拉出的長(zhǎng)度：

(2)

此時(shí)，主液壓缸內(nèi)活塞的位移是：

(3)

式中：n為動(dòng)滑輪組的動(dòng)滑輪個(gè)數(shù)。

t時(shí)刻艦載機(jī)速度與阻攔索被拉出的速度關(guān)系為：

(4)

活塞速度與阻攔索被拉出的速度關(guān)系為：

(5)

3 錐閥調(diào)壓原理

定長(zhǎng)沖跑控制閥的控制作用實(shí)質(zhì)上是一個(gè)節(jié)流閥。進(jìn)口油液流速在主液壓缸活塞的推動(dòng)下，隨時(shí)間不斷變化。閥芯隨時(shí)間增加向下移動(dòng)，逐漸縮小節(jié)流面積。調(diào)節(jié)進(jìn)口油液流速與閥芯運(yùn)動(dòng)的速度，將在錐閥的進(jìn)口與出口兩端得到穩(wěn)定的壓強(qiáng)差。如圖3所示，d為閥座直徑，α為錐閥頂角的半角，x為錐閥運(yùn)動(dòng)t時(shí)的有效位移量。

圖3 錐閥節(jié)流示意圖Fig.3 The schematic of poppet valve

節(jié)流面積為：

(6)

節(jié)流閥的流量為：

(7)

式中：Cd為節(jié)流閥流量，系數(shù)如圖4所示；ρ為液壓油密度；Δp為主液壓缸油液與儲(chǔ)能瓶中油液的壓強(qiáng)差。

圖4 活塞行程與節(jié)流閥流量系數(shù)的關(guān)系[5]Fig.4 The relationship between the piston stroke and the discharge coefficient

由液體流動(dòng)的連續(xù)性原理可得：

Q0=u0×A0=A1×u1=A2×u2，

(8)

式中：u0為節(jié)流處油液的平均速度；u1為閥座中油液的平均速度；u2為主液壓缸中油液的平均速度；A1為閥座截面積；A2為活塞的等效面積。

結(jié)合式(7)和式(8)可得到

(9)

綜上所述，由式(6)和式(9)可得到在Δp下，錐閥隨u2變化的位置x，即閥芯的開(kāi)口度。

4 仿真與計(jì)算

4.1 模型建立

根據(jù)Mk7-3型液壓阻攔系統(tǒng)中定長(zhǎng)沖跑控制閥的參數(shù)，用CATIA建立錐閥內(nèi)部流道三維幾何模型，閥座直徑d=90mm，錐閥頂角的半角α=45°，錐閥直徑D=127mm。

圖5 錐閥內(nèi)部流場(chǎng)模型Fig.5 The internal flow field model of poppet valve

圖6 錐閥內(nèi)部流場(chǎng)模型幾何參數(shù)Fig.6 The geometric parameters of of poppet valve the internal flow field model

4.2 網(wǎng)格劃分

錐閥內(nèi)部流道的網(wǎng)格模型通過(guò)Ansys13.0 中的ICEMCFD軟件進(jìn)行劃分，進(jìn)口、出口外和部邊界部分壓力梯度變化小，網(wǎng)格較粗，內(nèi)部邊界部分處于節(jié)流面積處，壓力梯度變化較大，網(wǎng)格細(xì)化。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以適應(yīng)節(jié)流處較復(fù)雜的幾何形狀。

圖7 網(wǎng)格模型Fig.7 The mesh model of the internal flow field

4.3Fluent流場(chǎng)仿真

4.3.1 模型假設(shè)及參數(shù)計(jì)算

在定長(zhǎng)沖跑控制閥產(chǎn)生穩(wěn)定壓力差的階段，艦載機(jī)所受阻攔力不變，作勻減速直線運(yùn)動(dòng)。參照文獻(xiàn)[6]，取0.6～1.5s為壓力差穩(wěn)定階段，在固定壓差下計(jì)算進(jìn)口流速和閥芯運(yùn)動(dòng)速度。

1) 進(jìn)口速度

由式(5)得到0.6～1.5s內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)速度，由式(8)得到進(jìn)口的流速如表2所示。

表2 進(jìn)口流速

2) 閥芯運(yùn)動(dòng)速度

由式(6)和式(8)及u2，得到在Δp=50MPa下，節(jié)流處開(kāi)口度x的值。閥芯開(kāi)口度x隨時(shí)間變化，從15.00 mm沿z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)到8.19 mm。對(duì)時(shí)間求導(dǎo)后得到0.6～1.5 s內(nèi)閥芯運(yùn)動(dòng)的速度如表3所示。

表3 閥芯運(yùn)動(dòng)速度

4.3.2 Fluent參數(shù)設(shè)置

利用Ansys Fluent 13.0軟件對(duì)錐閥內(nèi)部流道模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真，運(yùn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格更新方法采用彈簧光順和區(qū)域網(wǎng)格重構(gòu)相結(jié)合的方法，邊界運(yùn)動(dòng)由Profile文件驅(qū)動(dòng)，完成閥芯運(yùn)動(dòng)的設(shè)置。

計(jì)算采用基于壓力的瞬態(tài)求解，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，動(dòng)量項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式離散，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，湍動(dòng)能、湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方程采用Simple算法求解。

Fluent邊界條件設(shè)置：速度入口的速度隨時(shí)間變化，通過(guò)Profile文件驅(qū)動(dòng)；壓力出口的壓力值為4MPa；動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置中將閥芯網(wǎng)格部分設(shè)置為剛體；時(shí)間為步長(zhǎng)0.01s，進(jìn)行100步計(jì)算；時(shí)間總長(zhǎng)為1.0s，每隔0.05s記錄1次數(shù)據(jù)。

5 計(jì)算結(jié)果

圖9～圖12為4個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)口的靜壓云圖。從圖中可看出，各時(shí)間點(diǎn)進(jìn)口靜壓變化不大。進(jìn)口中心處?kù)o壓較壁面處?kù)o壓相對(duì)較高，但增幅很小。

圖8 0.6 s進(jìn)口靜壓Fig.8 Inlet static pressure at 0.6 s

圖9 0.8 s進(jìn)口靜壓Fig.9 Inlet static pressure at 0.8 s

圖10 1.0 s時(shí)進(jìn)口靜壓Fig.10 Inlet static pressure at 1.0 s

圖11 1.2 s時(shí)進(jìn)口靜壓Fig.11 Inlet static pressure at 1.2 s

圖12 靜壓與時(shí)間關(guān)系Fig.12 The relationship between inlet static pressure and time

通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)得到0.6～1.5s內(nèi)共20個(gè)時(shí)間點(diǎn)的進(jìn)口靜壓平均值，繪制靜壓與時(shí)間的關(guān)系如圖13所示，在0.6～1.5s內(nèi)，進(jìn)口處?kù)o壓值的平均值保持平穩(wěn)，這說(shuō)明在錐閥的節(jié)流作用下，定長(zhǎng)沖跑控制閥進(jìn)口壓強(qiáng)與出口壓強(qiáng)的差值保持穩(wěn)定，使作用在主液壓缸活塞上的阻攔力保持平穩(wěn)，達(dá)到穩(wěn)壓的目的，為艦載機(jī)著艦攔停提供平穩(wěn)的阻攔力。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文用Fluent軟件中的動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，對(duì)定長(zhǎng)沖跑控制閥的穩(wěn)定壓力階段做瞬態(tài)仿真。在假設(shè)穩(wěn)壓階段飛機(jī)作勻減速的前提下，沒(méi)有對(duì)現(xiàn)有凸輪控制線作等比放大的方法，而是從進(jìn)口流速和閥芯運(yùn)動(dòng)速度入手，計(jì)算進(jìn)口的壓強(qiáng)。通過(guò)Fluent軟件的瞬態(tài)仿真得到進(jìn)口壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，各時(shí)間點(diǎn)壓強(qiáng)變化不大，說(shuō)明產(chǎn)生的阻攔力保持不變，達(dá)到平穩(wěn)攔停的目的。

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Research on pressure stabilization process of constant runout control valve

WANG Hui,XI An

(College of Aeronautical Engineering Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

Considering the constant runout control valve(CROV) is the heart of the hydraulic arresting gear system，a three-dimensional model of flow field calculation which is proposed based on dynamic mesh.Numerical simulation of flow field in a spool motion is carried out by Fluent software. A spring-based smoothing method and local remeshing method combined with Profile driven mechanism is applied in mesh zone movement. The pressure of the inlet is calculated. The result can give theoretical support for the design of CROV.

constant runout control valve;Fluent;dynamic mesh

2013-07-22；

2013-08-16

王輝(1966-)，男，教授，研究方向?yàn)轱w行仿真技術(shù)和流體傳動(dòng)及控制。

U674.771

A

1672-7649(2014)03-0094-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.020