基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的節(jié)流閥流量系數(shù)研究

解小平，楊 赟

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的節(jié)流閥流量系數(shù)研究

解小平，楊 赟

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

節(jié)流閥流量系數(shù)是緩沖器載荷計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為了確定節(jié)流閥的流量系數(shù)，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ADINA-CFD，構(gòu)造映射網(wǎng)格，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，對(duì)節(jié)流閥內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)不同工況下節(jié)流閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：緩沖器節(jié)流閥流量系數(shù)穩(wěn)定在某一值，計(jì)算得到的緩沖器載荷與試驗(yàn)載荷曲線吻合，表明文中提出的基于ADINA-CFD的數(shù)值模擬方法是可行的。

ADINA-CFD；節(jié)流閥；流量系數(shù)；數(shù)值模擬

0 引言

油氣式緩沖器是現(xiàn)代起落架上必備的部件，其主要功能是依靠油液通過節(jié)流閥產(chǎn)生阻尼來(lái)吸收直升機(jī)著陸和滑行期間的垂向沖擊動(dòng)能。在起落架著陸性能計(jì)算中節(jié)流閥流量系數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它與節(jié)流閥油孔結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。以往的工程算法是建立在經(jīng)典流體理論基礎(chǔ)上，處理油孔的形狀、分布、倒角形式等均按面積等效原則進(jìn)行。這種方法有一定的局限性，現(xiàn)有的理論對(duì)流量系數(shù)的取值沒有一個(gè)明確定義，對(duì)于不同形式的節(jié)流閥油孔，其流量系數(shù)不盡相同，很多情況下都依賴于試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)定。如果在節(jié)流閥設(shè)計(jì)階段就能從總體上了解其周圍油液流動(dòng)情況，以及不同形式油孔對(duì)流量系數(shù)的影響，將有利于起落架節(jié)流閥優(yōu)化設(shè)計(jì)及準(zhǔn)確的緩沖器性能計(jì)算。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等的相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)分析。本文以單氣腔緩沖器為模型，利用ADINA軟件中CFD功能模塊對(duì)定油孔節(jié)流閥周圍流場(chǎng)進(jìn)行分析，得到流場(chǎng)流量、壓差等參數(shù)。利用公式可以計(jì)算出節(jié)流閥的流量系數(shù)，將其代入落錘計(jì)算模型中得到落錘模型的載荷曲線，通過與節(jié)流閥落錘試驗(yàn)的載荷曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證流量系數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 物理問題描述和數(shù)值方法

1.1 節(jié)流閥的幾何模型和流體網(wǎng)格

本文針對(duì)某起落架定油孔節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。節(jié)流閥采用單個(gè)固定圓形油孔，節(jié)流閥的安裝形式如圖1所示，經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化后可以確定節(jié)流閥的計(jì)算區(qū)域。由于計(jì)算區(qū)域及流動(dòng)是軸對(duì)稱的，因此采用半平面對(duì)稱模型計(jì)算，網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)映射網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 節(jié)流閥安裝示意圖 圖2 ADINA計(jì)算模型

1.2 參數(shù)設(shè)置和邊界條件

節(jié)流閥的工作介質(zhì)為液壓油，其密度為850kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為60cSt。節(jié)流閥油孔直徑為φ12mm，入口速度根據(jù)節(jié)流閥在緩沖器中的實(shí)際情況加以確定，速度取值范圍為1～6m/s。油液與緩沖器及節(jié)流閥接觸的壁面均設(shè)置為非滑移壁面，在對(duì)稱軸位置設(shè)置對(duì)稱邊界條件。

1.3 數(shù)值計(jì)算方法

本文使用的是一種基于有限體積法的FCBI算法，它能局部滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒，并通過對(duì)速度進(jìn)行插值來(lái)滿足迎風(fēng)條件，與其他單元算法相比具有更好的穩(wěn)定性和精度。求解器使用了ADINA中提供的一種有效的稀疏矩陣(Sparse)求解器，它是基于Gauss消去的直接求解方法，與傳統(tǒng)求解器矩陣存儲(chǔ)方法不同，它可以大大減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和計(jì)算時(shí)間。

2 節(jié)流閥試驗(yàn)

本文采用落錘法對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行試驗(yàn)。落錘法與落震類似，試驗(yàn)在落震試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。節(jié)流閥試驗(yàn)件安裝在緩沖器內(nèi)，緩沖器活塞桿固定在測(cè)力平臺(tái)上。試驗(yàn)時(shí)控制一定質(zhì)量的落錘自由墜落撞擊緩沖裝置，通過調(diào)整落錘墜落高度來(lái)改變撞擊的初速度，測(cè)量撞擊過程的載荷、位移等參數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流量系數(shù)與緩沖器載荷

緩沖器中油液由壓油腔經(jīng)過節(jié)流閥進(jìn)入回油腔，在節(jié)流閥油孔處油液形成射流而產(chǎn)生斷面收縮，液體出流以后有擴(kuò)散過程。在收縮斷面處速度最大，壓強(qiáng)最低。隨著射流的擴(kuò)散，流速降低而壓強(qiáng)升高。由于阻力而產(chǎn)生損失，壓強(qiáng)不能完全恢復(fù)。由薄壁孔口出流公式可以推導(dǎo)出流量系數(shù)計(jì)算公式[1]：

(1)

式中：Q—流經(jīng)節(jié)流閥油液的流量；Ad—油孔過流面積；ρ—油液的密度；ΔP—節(jié)流閥前后的壓力差。

落錘緩沖器載荷PH由油液壓力和摩擦力兩部分組成，由公式(1)可以推導(dǎo)出油液壓力公式[2]，見公式(2)右邊第一項(xiàng)，摩擦力是關(guān)于氣腔壓力的一次函數(shù)Ff(P)。

(2)

式中：ρ—油液密度；A1—緩沖器外筒內(nèi)徑；V1—緩沖器壓縮過程中瞬時(shí)速度；P1—?dú)馇粔毫?；Cq—節(jié)流閥油孔面積；Ad—油孔過流面積；Ff—緩沖器摩擦力。

落錘運(yùn)動(dòng)過程與落震類似，落錘的運(yùn)動(dòng)微分方程組見式(3)。根據(jù)SH、V1初始條件求解微分方程組得到緩沖器載荷PH隨時(shí)間的變化曲線。

(3)

3.2 結(jié)果分析

使用ADINA-CFD模塊對(duì)節(jié)流閥流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在設(shè)置不同入口速度后進(jìn)行數(shù)值模擬，可以獲得入口和出口的總壓力，然后將獲得的壓力數(shù)據(jù)由計(jì)算公式(1)計(jì)算不同入口速度下的節(jié)流閥流量系數(shù)，結(jié)果見表2。將流量系數(shù)Cq代入公式(2)中，可以計(jì)算出落錘不同下落速度下緩沖器的載荷，計(jì)算結(jié)果繪制在圖3。A-F六個(gè)狀態(tài)中兩條曲線走勢(shì)基本保持一致，最大載荷值見表2。G狀態(tài)中仿真計(jì)算與試驗(yàn)曲線在0～0.01之間出現(xiàn)偏離，主要是試驗(yàn)時(shí)落錘與緩沖器墊了鉛塊，落錘在高速撞擊緩沖器時(shí)鉛塊發(fā)生變形起到緩沖的作用，試驗(yàn)載荷上升緩慢，而仿真計(jì)算并未考慮鉛塊的影響。表2中列出載荷的峰值及最大相對(duì)誤差3.9%，說明本文由ADINA計(jì)算得到的流量系數(shù)的方法是可行的。

表2 仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過建立節(jié)流閥模型，利用ADINA計(jì)算流體力學(xué)功能模塊對(duì)節(jié)流閥二維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上模擬了緩沖器在不同壓縮速度對(duì)流量系數(shù)的影響。緩沖器正常工作情況下被研究的節(jié)流閥流量系數(shù)基本穩(wěn)定在0.673，通過對(duì)比理論仿真計(jì)算的載荷曲線與試驗(yàn)載荷曲線，證明文中計(jì)算流量系數(shù)的方法是可行的。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)、形狀和分布的復(fù)雜節(jié)流閥，可以通過更為真實(shí)的三維流場(chǎng)分析得到解決。可以預(yù)見， 把ADINA運(yùn)用到起落架節(jié)流閥設(shè)計(jì)中，將有助于對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用。

[1] 盛敬超.液壓流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[2] 航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，編.飛機(jī)起落架強(qiáng)度設(shè)計(jì)指南[M].成都：四川科技出版社，1989.

Research of Throttle Valve’s Discharge Coefficient Based on Computing Fluid Dynamics

XIE Xiaoping，YANG Yun

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Throttle valve’s discharge coefficient is a key parameter of absorber load calculation. To confirm flow coefficient of throttle valve, this paper used computing fluid dynamic software ADINA-CFD to construct mapping grid, and adopted standard k-ε model to simulate the flow of turbulent in throttle. After testing throttle valve’s flow field under different conditions, found that the discharge coefficient of the throttle valve could reach some stable value. Put the discharge coefficient into the absorber load calculation, the value was anatomies to the load curve which out by test. So it showed that numerical simulation based on the ADINA-CFD proposed in this paper was reasonable.

ADINA-CFD；discharge coefficient；numerical simulation

2016-02-26 作者簡(jiǎn)介：解小平(1989-)，男，江西吉安人，碩士研究生，主要從事直升機(jī)起落裝置的設(shè)計(jì)和性能分析研究。

1673-1220(2016)02-032-03

V226+.2；TH137.52+2

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