水液壓節(jié)流閥流場(chǎng)仿真及與AMESim仿真的比較分析

， ， ， (大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連　116026)

引言

作為水液壓傳動(dòng)與控制領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象，水液壓節(jié)流閥一直受到研究人員的廣泛關(guān)注。以油液壓節(jié)流閥為例進(jìn)行AMESim仿真分析已得到業(yè)界普遍認(rèn)可，但對(duì)于水液壓節(jié)流閥進(jìn)行AMESim仿真的相關(guān)研究甚少，而Fluent流場(chǎng)仿真與AMESim仿真對(duì)比分析尚未涉及。球閥式結(jié)構(gòu)因其與錐閥式結(jié)構(gòu)具有相類似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其具備了錐閥式結(jié)構(gòu)在水介質(zhì)適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)，保證了閥口良好的密封性能，閥口可以實(shí)現(xiàn)零泄漏，同時(shí)其可以實(shí)現(xiàn)閥口磨損的自動(dòng)補(bǔ)償，適用于較高系統(tǒng)壓力的工作狀況[1]。本研究中的純水液壓節(jié)流閥采用球形閥芯的閥口結(jié)構(gòu)形式，利用Fluent流場(chǎng)仿真軟件，對(duì)純水液壓節(jié)流閥流道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，對(duì)閥口處的壓力分布和速度分布情況進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合AMESim仿真進(jìn)行對(duì)比分析，為純水節(jié)流閥的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

1　壓電水液壓節(jié)流閥工作原理

該節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該節(jié)流閥主要由節(jié)流閥本體、閥體連接塊和封裝式壓電驅(qū)動(dòng)器三部分組成。該閥的工作原理為：當(dāng)壓電驅(qū)動(dòng)器通電時(shí)，推動(dòng)推桿向右運(yùn)動(dòng)，球形閥芯隨著向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)閥口開啟，液流由P口進(jìn)入閥體，再由出水口A流出閥體，節(jié)流閥可通流，當(dāng)減小壓電驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓時(shí)，其輸出位移相應(yīng)地減小，彈簧推桿在復(fù)位彈簧的作用下，逐步地向左移動(dòng)，進(jìn)而使得球形閥芯向左移動(dòng)，此時(shí)節(jié)流閥閥口開度將逐步減小，節(jié)流閥閥口流量將逐步減小，在工作時(shí)通過(guò)改變壓電驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓，可實(shí)現(xiàn)閥口開度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥閥口流量的調(diào)節(jié)。

1.封裝式壓電驅(qū)動(dòng)器　2.連接塊　3.閥體　4.推桿 5.球形閥芯　6.彈簧推桿　7.調(diào)節(jié)推桿A —— 進(jìn)水口　P —— 出水口

2　壓電驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥AMESim模型

如表1，根據(jù)節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)圖可以建立其物理模型。對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行受力分析，驅(qū)動(dòng)器輸出位移逐步增大，閥口開度逐步增大時(shí)，內(nèi)部閥芯的受力情況[2]：

式中，m為閥芯、彈簧和推桿的等效總質(zhì)量；x為閥芯位移；Fh1為左邊彈簧推力；Fh2為右邊彈簧推力；Fhs為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；Fht為瞬態(tài)液動(dòng)力；Fm為推桿密封圈摩擦力總和；Fv為粘滯性阻力；Ft為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的推力。

穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fhs：

瞬態(tài)液動(dòng)力Fht：

dm—— 閥口的等效直徑(dm=(d1+d2)/2)，mm

r—— 閥芯半徑，mm

x—— 閥芯位移，mm

另外CA為閥口處流量系數(shù)；L為臺(tái)肩長(zhǎng)度。

表1　仿真模型的主要參數(shù)

圖2為在AMESim中搭建的壓電節(jié)流閥仿真模型，根據(jù)壓電驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型[3]，結(jié)合了本壓電節(jié)流閥本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在AMESim仿真環(huán)境下搭建節(jié)流閥的靜態(tài)仿真模型，利用該仿真模型，可以方便地對(duì)節(jié)流閥的流量位移特性進(jìn)行仿真分析。

3　節(jié)流閥流場(chǎng)仿真

3.1　閥口結(jié)構(gòu)

純水液壓節(jié)流閥閥體內(nèi)部三維流道圖，如圖3所示。

考慮到流動(dòng)對(duì)稱性以及仿真的便捷，假設(shè)流體為不可壓縮的粘性湍流，流體介質(zhì)為水，并根據(jù)節(jié)流閥內(nèi)部流道的對(duì)稱性原理，將流道簡(jiǎn)化為便于仿真分析的二維軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)[4]，如圖4所示。

圖2　壓電節(jié)流閥仿真模型

圖3　閥本體內(nèi)部流道模型圖

圖4　純水液壓節(jié)流閥閥口二維結(jié)構(gòu)示意圖

3.2　網(wǎng)格劃分

如圖5所示，流道的網(wǎng)格劃分是由GAMBIT前處理軟件生成閥體流道內(nèi)的網(wǎng)格，采用了結(jié)構(gòu)性四邊形網(wǎng)格單元建立流道網(wǎng)格[5]。由于閥口部分的流動(dòng)變化非常大且區(qū)域小，閥口局部需要添加邊界層進(jìn)行局部細(xì)化，以獲得更好的求解精度。

圖5　節(jié)流閥流場(chǎng)網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)圖

3.3　計(jì)算條件

選擇湍流模型為RNGk-ε模型。RNGk-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)模型相比，在計(jì)算速度梯度較大或有旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的流場(chǎng)中，其精確性更高。流體介質(zhì)為純水，密度為998.2 kg/m3，20℃時(shí)的黏度系數(shù)為1.003×10-6kg/(m·s)。設(shè)定控制閥入口為壓力入口，其相對(duì)壓力為6.3 MPa，控制閥出口為壓力出口，其相對(duì)壓力為0.3 MPa。

4　Fluent仿真結(jié)果的分析及比較

4.1　Fluent仿真結(jié)果的分析

如圖6所示是閥口開度x為0.14 mm時(shí)的閥本體流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，閥的入口壓力為6.3 MPa，出口為0.3 MPa。 圖6a為閥本體的流場(chǎng)壓力分布圖，閥口處流體高速噴射，壓力很快下降[6]，從圖可以看出，最小靜壓力發(fā)生在陶瓷球與臺(tái)階柱面相接處，達(dá)到-2.43 MPa。 并且漩渦區(qū)中心壓力也較低。圖6b為閥本體流場(chǎng)的速度矢量圖，可以看出回流是閥腔內(nèi)流動(dòng)的主要特征，閥口處發(fā)生流體的分離現(xiàn)象，閥腔內(nèi)形成兩個(gè)漩渦，一個(gè)位于閥座拐角處，它的漩渦體積比較大，另一個(gè)位于閥口的下游，液流還未通過(guò)閥口撞到壁面形成漩渦，其漩渦體積相對(duì)較小，所以回流強(qiáng)度與另一處相比較小。從流線的疏密程度顯然可以看出，剛過(guò)閥口處的漩渦體積比較大，另一處得漩渦體積較小。由于這兩個(gè)漩渦的影響，消耗了流體的能量，致使流體的壓強(qiáng)和能量下降[7]。由圖可看出通過(guò)閥腔的流速最高可達(dá)120 m/s左右。圖6c為控制閥出口的流量變化曲線，可以看出，在閥開始工作時(shí)，輸出流量不穩(wěn)定，等工作穩(wěn)定后，閥的輸出流量約為9.78 L/min。

為了研究閥口開度對(duì)閥本體流場(chǎng)的影響，其他條件不變，改變閥口開度為0.112 mm。圖7所示是閥口開度x為0.112 mm時(shí)陶瓷球閥閥口流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，從流場(chǎng)壓力分布圖中可以看出，流場(chǎng)中靜壓的最小值發(fā)生了變化，最小值減小，最小值約為-2.8 MPa。從速度矢量分布圖可以看出，同樣在閥腔內(nèi)形成兩個(gè)漩渦，一個(gè)位于閥座拐角處，它的漩渦體積比較大，強(qiáng)度大，另一個(gè)位于閥口的右面，液流還未通過(guò)閥口撞到拐角壁面形成漩渦，其漩渦體積相對(duì)較小，強(qiáng)度弱。比較圖6與圖7中的流場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果可以看出，改變閥口開度，就改變了流場(chǎng)中漩渦的體積大小。與閥口開度0.14 mm的流場(chǎng)比較，閥口開度為0.112 mm時(shí)，閥口左右兩端的漩渦體積均變小，剛過(guò)閥口處的流線變密，剛過(guò)閥口處的漩渦體積增大。所以閥口開度壓力分布有明顯的影響。通過(guò)閥體的最高流速約為121 m/s。 由圖7c控制閥出口流量變化曲線，可看出，待閥體流場(chǎng)穩(wěn)定后，閥體的出口流量約為8.46 L/min。與閥口開度為0.14 mm比較，通過(guò)閥腔的流量變小，所以得出，當(dāng)閥的其他條件不變時(shí)，閥口的開度越小，流量也越小。

圖6　閥口流場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果

4.2　Fluent仿真與AMESim仿真結(jié)果比較分析

以上對(duì)兩種閥口開度下的流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行了描述與比較，并對(duì)一系列不同閥口開度下通過(guò)閥體的流量進(jìn)行了模擬與分析，為了研究閥口開度對(duì)節(jié)流閥流量的影響，針對(duì)該閥在相同進(jìn)口和出口邊界的條件，對(duì)不同開度下的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬與分析。用Fluent仿真軟件分別建立閥口開度為0.14 mm、0.112 mm、 0.084 mm、0.056 mm和0.028 mm的仿真模型，且入口壓力為6.3 MPa,出口背壓為0.3 MPa。

圖8為閥口開度與流量的關(guān)系曲線，將閥芯位移與流量的Fluent仿真與AMESim仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以得到如下結(jié)果：在壓差為6 MPa時(shí)，隨著閥芯位移的不斷增大，流量也在不斷增大，并且，閥芯位移與流量近似呈線性關(guān)系。但是在相同閥芯位移下，F(xiàn)luent仿真與AMESim仿真計(jì)算得到的流量大小存在一定的偏差，當(dāng)在AMESim模型中將流量系數(shù)調(diào)整為0.9時(shí)，其最大偏差為8.9%，由圖可知當(dāng)流量系數(shù)CA取值越大，兩種仿真曲線就越接近。雖然兩種仿真的結(jié)果有差別，但說(shuō)明了壓電驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥的閥口開度與流量呈線性關(guān)系，同時(shí)印證了壓電驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥流場(chǎng)仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖7　閥口流場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果

圖8　閥口開度流量特性曲線圖

5　結(jié)論

本研究利用Fluent仿真軟件對(duì)節(jié)流閥流場(chǎng)仿真及與AMESim仿真的比較分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 流體通過(guò)閥口前后，閥腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生回流和漩渦。隨著閥口開度的改變，漩渦體積也會(huì)發(fā)生變化；

(2) 隨著閥口開度的不斷增大，流量也在不斷增大，并且，閥口開度與流量近似呈線性關(guān)系。在壓差為6 MPa時(shí)，節(jié)流閥的最大流量為9.2 L/min；

(3) 應(yīng)用Fluent軟件仿真節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)得到的結(jié)果與AMESim仿真值存在一定的偏差，當(dāng)在AMESim模型中將流量系數(shù)CA調(diào)整為0.9時(shí)，其最大偏差為8.9%。當(dāng)流量系數(shù)CA取值越大，兩種仿真曲線就越接近，同時(shí)驗(yàn)證了節(jié)流閥仿真模型的準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)用Fluent軟件可以快速、可靠地分析節(jié)流閥的特性，改進(jìn)其設(shè)計(jì)，可滿足性能要求。

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