液壓集成塊流道數(shù)值模擬分析*

雷　琪，王自勤，田豐果，陳家兌

(1.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽550003；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

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液壓集成塊流道數(shù)值模擬分析*

雷琪1，王自勤1，田豐果2，陳家兌1

(1.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽550003；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

摘要：應(yīng)用fluent對液壓集成塊流道進(jìn)行分析，得到其直角轉(zhuǎn)彎對壓力損失的影響,得出速度和壓力分布圖，分析不同流速的壓力損失，孔徑大小對壓力損失的影響，以及正反向流的壓力損失情況。結(jié)果表明：壓力損失的主要影響是直角轉(zhuǎn)彎的下流都會(huì)形成一處漩渦和流道孔徑縮小處對流體的阻力；在同等流量不同孔徑的流道中，孔徑大小對壓力損失比較敏感，在設(shè)計(jì)允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)增大孔徑；同時(shí)改進(jìn)后的流道，壓力損失和氣穴得到明顯的改善。

關(guān)鍵詞:液壓集成塊壓力損失速度分布圖

[6]錢鋒.粒子群算法及其工業(yè)應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2013.

[7]李二悶，衛(wèi)良保，李揚(yáng)，等.約束優(yōu)化的粒子群改進(jìn)算法及應(yīng)用[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(6):439-440.

[8]梁睦.堆垛機(jī)3層貨叉直線差動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2005(3)32-33.

[9]劉鴻文.材料力學(xué)I[M].北京:高等教育出版社，2011.

[10]劉昌祺，董良.自動(dòng)化立體倉庫設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.

[11]Shi Y H，Eberhart R C. A modified particle swarm optimizer//Proceedings of the IEEE International Conference on Evolutionary Computation[J].New Jersey: IEEE Press，1998:69-73.

[12]Birge B. Particle swarm optimization toolbox[CP/OL].http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/7506-particle-swarm-optimization-toolbox.2006.

廖源泉(1992-)，男，漢族，湖北黃岡人，南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。

0引言

液壓集成塊是液壓集成必不可少的元件之一，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、元件密度高、占據(jù)空間小，維護(hù)、安裝、調(diào)整和更換液壓元件方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代的液壓系統(tǒng)中。一般來說，液壓集成塊的內(nèi)部孔道，通常采用鉆、鏜等一般傳統(tǒng)的加工方法。采用機(jī)械加工的方法一般不能形成流線型流道，直角轉(zhuǎn)彎流道比較多，從而導(dǎo)致流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量損失增加。液壓集成塊的內(nèi)部通油孔道屬于典型的復(fù)雜空間孔系，在一個(gè)塊體上縱橫交錯(cuò)液壓集成塊分布著很多個(gè)長短、大小不一和位置不同的流道，流道的連接形式可分為短直管路、直角轉(zhuǎn)彎管路、突擴(kuò)(縮) 管路和交叉管路。本文應(yīng)用fluent流體軟件分析孔徑大小和直角轉(zhuǎn)彎對壓力損失的影響，為改進(jìn)集成塊流道提供依據(jù)[1-6]。

1仿真模擬建立

圖1　物理模型

本文是以液壓可變配氣發(fā)動(dòng)機(jī)中液壓集成塊為研究對象。由于集成化的結(jié)構(gòu)緊湊性，如圖1所示，該對象油路集成有7個(gè)直角轉(zhuǎn)彎，速度入口通過凸輪推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)，在不同轉(zhuǎn)速下液壓油的流速都不同，凸輪轉(zhuǎn)速到達(dá)2 000 r/min，是一個(gè)比較常用和較大的轉(zhuǎn)速，可以作為研究速度,轉(zhuǎn)化到速度入口(孔徑為16 mm)流速為1.41 m/s，本文主要是分析流速1.41 m/s換算到孔徑為6 mm中流速為10 m/s。

2液壓集成塊內(nèi)部流道的數(shù)學(xué)模型

液壓集成塊內(nèi)部的液流為粘性不可壓縮流體，液流在直角管道轉(zhuǎn)向處多數(shù)情況下為湍流流動(dòng)[7]，因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型控制，具體控制方程[8]如下:

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中：u，v和w為速度矢量在x，y和z方向的分量。

(2)動(dòng)量(Navier-Stokes)方程

(2)

(3)標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程

(3)

式中：μ1為湍動(dòng)粘度；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這里取Cμ=0.09；k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)耗散率。

(4)湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程

(4)

(5)耗散率ε的運(yùn)輸方程

(5)

式中：C1ε、C2ε、σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σε=1.3。

3網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

用UG畫出三維圖，導(dǎo)出step格式，將step格式導(dǎo)入Gambit中，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元采用Tet/Hybird,網(wǎng)格類型采用TGrid[9]，定義其邊界的速度進(jìn)口，壓力出口，導(dǎo)出mesh文件。在fluent軟件中設(shè)置速度入口(1.41 m/s)和壓力出口(0 Pa)，液壓油密度866 kg/m3，動(dòng)力粘度0.013 kg/m·s。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，監(jiān)視窗口設(shè)置速度進(jìn)口、壓力出口為面監(jiān)控(Surface Monitors),選擇類型為區(qū)域重量平均(Area-Weighted Average),其他設(shè)置不變[10]。

4仿真結(jié)果及分析

對速度入口設(shè)置流速為1.41 m/s，出口壓力設(shè)置為0 Pa，仿真結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，速度分布圖，在速度入口管徑為16 mm的，流線基本是一致的，比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)漩渦；液壓油由孔徑為16 mm流入孔徑為6 mm的流道中，流速分布相對比較均勻，從圖中直角轉(zhuǎn)彎1處有較小的漩渦，影響壓力損失的主要原因不是漩渦。同時(shí)可以在直角轉(zhuǎn)彎2-7處的流速圖得出，在直角轉(zhuǎn)彎的下流都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漩渦，且產(chǎn)生的漩渦比直角轉(zhuǎn)彎1處程度要大很多，同時(shí)管內(nèi)的流速分布不均勻，最大流速主要分布在漩渦處的上面，說明管內(nèi)流速不均勻主要是漩渦造成的，漩渦程度越大對其流速分布不均勻影響越大，流線密集程度越高，壓力損失越大。

圖2　速度分布圖

如圖3所示，為中心對稱壓力分布圖，從圖中可以看出入口壓力基本恒定為0.528 MPa，出口壓力為0，說明入口速度為1.41 m/s，管內(nèi)壓力損失為0.528 MPa,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)孔內(nèi)的最大油壓為6.3 MPa，壓力損失占系統(tǒng)油壓8.38%，對系統(tǒng)有一定影響。同時(shí)得出管徑16 mm的導(dǎo)管內(nèi)的壓力損失較??；對其直角轉(zhuǎn)彎處的壓力損失進(jìn)行分析，以X軸的導(dǎo)管長度(單位mm)，以Y軸為壓力圖，同時(shí)取軸的中心對稱的壓力分布圖的壓力損失，對其作出如圖4所示，圖中的序號代表每一處直角轉(zhuǎn)彎，從圖中分析可以得出，1處的直角轉(zhuǎn)彎壓力損失最大，說明孔徑縮小壓力損失最大為0.06 MPa，對流體壓力損失較大，其能量消耗在孔徑縮小的流體阻力上；同時(shí)從圖中還可以得出，直孔對液體壓力損失較小；直角轉(zhuǎn)彎處的下游都會(huì)形成一處漩渦，在3和4處的之間的直管的壓力梯度大，形成的漩渦的強(qiáng)度最大，這主要是兩處直角轉(zhuǎn)彎間的距離較小造成的，最大梯度油壓差0.12 MPa；在7處的漩渦出現(xiàn)負(fù)值，容易出現(xiàn)氣穴等不利于集成導(dǎo)管的現(xiàn)象。

圖3　壓力分布圖

圖4　直角轉(zhuǎn)彎壓力損失圖

5集成流道孔徑大小對流場的影響大小

當(dāng)集成油路進(jìn)口速度為1.41 m/s，孔徑為16 mm不變，對油路集成部分的孔徑分布設(shè)置為4、5、6、7、8 mm進(jìn)行分析，得出壓力損失分別為2.687 MPa、1.072 MPa、0.528 MPa、0.293 MPa、0.176 MPa，得出圖5，從圖可以得出，孔徑的大小對流場壓力損失影響很大，也很敏感，主要是孔徑大小影響孔內(nèi)流速，當(dāng)孔徑減小時(shí)，孔內(nèi)流速增大，同時(shí)在孔徑縮小處對壓力能量損失更大，在直角轉(zhuǎn)彎處形成的漩渦更明顯，更劇烈。

圖5　不同孔徑的壓力損失圖

6集成流道不同流速的正反向流的壓力損失

集成油路孔徑6 mm的流速設(shè)置為1 m/s~10 m/s，正向流即液壓油(圖1)從速度入口流入，反向流即(圖1)從壓力出口流入，并在fluent中調(diào)整其相關(guān)邊界條件，得到不同流速的壓力損失,如圖6所示，正向流的壓力損失要比反向壓力損失要大，且基本為定值，主要是正向流在孔徑縮小處損失的能量要比反向流在孔徑增大處的大。

圖6　正反向流的壓力損失圖

7集成流道直角轉(zhuǎn)彎處改進(jìn)設(shè)置

集成油路主要是工藝孔產(chǎn)生的直角，壓力損失主要由直角轉(zhuǎn)彎處造成的，如果改善其相交直角轉(zhuǎn)彎處為一定的曲率半徑，設(shè)置其曲率半徑10 mm,則得出孔徑(6 mm)在1 m/s~10 m/s的壓力損失，與不改進(jìn)的壓力損失進(jìn)行對比，如圖7所示，可以得出直角彎角處改進(jìn)成10 mm曲率半徑,壓力損失明顯減少,隨著流速越大壓力損失減少的越明顯。同時(shí)改進(jìn)后速度流線分布圖，如圖8所示，可以得出速度流線分布比較均勻，沒有出現(xiàn)漩渦，這有利于流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，減少壓力漩渦帶來的壓力損失。最大壓力損失是0.29 MPa，占系統(tǒng)最大壓力的4.6%，可以看出得到明顯的改善。

8結(jié)論

1)在直角轉(zhuǎn)彎的下游都會(huì)形成一個(gè)漩渦，這是壓力損失的主要原因，在孔徑縮小處壓力損失最大，主要是能量消耗在孔徑縮小的流體阻力上。

2)油路孔徑大小對壓力損失影響很大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大孔徑，適當(dāng)減少孔徑突縮。

3)集成塊流道應(yīng)適當(dāng)減少直角轉(zhuǎn)彎，多使用曲率轉(zhuǎn)角，有利于減少壓力損失，同時(shí)減少流道轉(zhuǎn)角處的漩渦和氣穴等不利現(xiàn)象。

4)流道改進(jìn)前的壓力損失為0.528 MPa，占系統(tǒng)總壓的8.38%，改進(jìn)后的為0.29 MPa，占系統(tǒng)總壓的4.6%，得到明顯的改善。

參考文獻(xiàn)

[1]謝國慶，李運(yùn)初. 基于Fluent的液壓集成塊典型流道流場仿真分析[J]. 液壓與氣動(dòng),2013(12)44-47.

[2]高殿榮,王益群．液壓集成塊內(nèi)彎曲流道流場數(shù)值計(jì)算與分析[J].機(jī)床與液壓,2001(6)34-35.

[3]任小中，崔鳳奎，王曉強(qiáng).液壓集成塊計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000,31(5):97-99.

[4]李海龍,高殿榮. 基于Fluent液壓集成塊內(nèi)部流道流場的數(shù)值模擬[J]. 液壓與氣動(dòng),2011(03)1-4.

[5]吳正坤,趙毅紅,呂宵宵,黃博文. 基于Fluent液壓集成塊內(nèi)部流場數(shù)據(jù)仿真[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2014(06)76-77+80.

[6]袁昌耀,傅連東,王佳,劉龍園,陳忱. 基于FLUENT液壓集成塊管內(nèi)數(shù)值仿真[J]. 機(jī)械,2008，35(12)：16-18.

[7]Hughes W F,Brighton J A．流體動(dòng)力學(xué)[M]．徐燕侯，過明道，徐立功，等譯．北京：科技出版社，2002.

[8]王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD 軟件原理與應(yīng)用[M]．北京: 清華大學(xué)出版社，2004.

[9]韓占忠，王敬，蘭小平． FLUENT 流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M]． 北京: 北京理工大學(xué)出版社，2004.

[10]張凱，王瑞金，王剛． Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M]． 北京: 清華大學(xué)出版社， 2010.

王自勤(1954-)，男，貴州貴陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)，機(jī)械制造。

Numerical simulation analysis of pipeline of hydraulic manifold block

LEI Qi,WANG Ziqin,TIAN Fengguo,CHEN Jiadui

Abstract:This paper analyzes the pipeline of hydraulic manifold block with fluent in order to examine how its quarter turn affects the pressure loss, and work out the velocity and pressure profile. It is also investigated how different flow velocity, aperture size，and flow direction influence the pressure loss. The results show that: the main cause of the pressure loss is from the vortex at the lower part of the quarter turn and the narrower part of the pipe, both of which produce resistance to the fluid; and the aperture size apparently affects the pressure loss at the same flow rate. If the design allows, it is desirable that the aperture be properly enlarged. The pressure loss is decreased and cavitation improved after the optimization of the pipeline.

Keywords:hydraulic manifold block; pressure loss; velocity profile

收稿日期：2015-07-21 2015-07-14

通訊作者：劉瓊(1980-)，男，漢族，湖南衡陽人，南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。

作者簡介：陳俊明(1989-)，男，湖南永州人，南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向:現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。 雷琪(1989-)，男，湖南郴州人，在讀碩士，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)和CAE技術(shù)。

基金項(xiàng)目：南華大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2007XQD35，2014XQD43);湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10JJ4037)。 貴州省科技廳貴州大學(xué)聯(lián)合基金(黔科合LH字[2014]7626)。

中圖分類號：TP391.9；TH137.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0019-04