基于動網(wǎng)格6DOF方法的液壓閥流場特性分析

郭曉霞,黃家海,,權(quán)　龍,王勝國

(1.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024;

2.太重榆次液壓工業(yè)有限公司 技術(shù)中心,山西 榆次 030600)

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基于動網(wǎng)格6DOF方法的液壓閥流場特性分析

郭曉霞1,黃家海1,2,權(quán)龍1,王勝國2

(1.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024;

2.太重榆次液壓工業(yè)有限公司 技術(shù)中心,山西 榆次 030600)

摘要:利用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT中的6DOF模塊模擬插裝閥閥芯開啟過程中的非定常流場,閥芯運(yùn)動由其所受流體力確定,當(dāng)閥芯受力達(dá)到平衡時,閥芯停止運(yùn)動。將閥芯處于穩(wěn)定時閥芯位移、控制腔壓力、閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力的仿真計算結(jié)果與理論公式計算值進(jìn)行了比較,并對閥芯開啟過程中的瞬態(tài)壓力場、速度場進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,該仿真計算與理論計算值誤差較小,具有較高的可靠性;與以往研究方法相比,該方法與閥芯實際運(yùn)動更加接近。本研究能夠較真實地模擬液壓閥開啟過程中的瞬態(tài)流場特性,為進(jìn)一步研究液壓閥性能提供重要理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:插裝閥;有限元分析;流體動力學(xué)軟件-6DOF;液壓流場；理論計算

液壓閥是液壓系統(tǒng)中的重要元件,用于控制系統(tǒng)的液流方向、流量和壓力,其性能優(yōu)劣在很大程度上決定了液壓系統(tǒng)的使用性能。對于液壓閥而言,傳統(tǒng)的研究方法主要借助于理論推導(dǎo)與實驗研究。近年來,隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體動力學(xué)(CFD,Computational Fluid Dynamics)理論的發(fā)展,針對液壓閥內(nèi)部流場的數(shù)值分析和可視化研究逐漸成為液壓閥領(lǐng)域的重要方向之一。

以往的數(shù)值模擬多局限于定常研究或直接給定閥芯運(yùn)動速度[1-3]。如，太原理工大學(xué)鄭淑娟通過動網(wǎng)格方法自定義閥芯運(yùn)動速度,以此來獲得閥芯開啟、關(guān)閉過程受到的瞬態(tài)液動力、流量系數(shù)與通過閥流量、閥開口度之間的定量關(guān)系;哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉華坪采用UDF函數(shù)給定閥芯速度隨時間的變化規(guī)律,來模擬4種閥門動態(tài)過程中的流動狀態(tài)和閥體受力情況等等。而實際工作中,閥芯的運(yùn)動規(guī)律無法用既定的代數(shù)式給出,直接給定閥芯運(yùn)動速度所獲得的流場存在失真問題,無法獲得閥芯真實的位移曲線與實際的平衡位置。近年來,已有學(xué)者開始研究閥芯在流場受力下的運(yùn)動狀態(tài),多數(shù)采用UDF(用戶自定義函數(shù))定義閥芯的受力狀況,以此來實現(xiàn)閥芯的運(yùn)動。如，解放軍理工大學(xué)的何曉暉教授[4]利用動網(wǎng)格技術(shù)及UDF函數(shù)對液壓球閥二維模型啟閉過程中的液動力進(jìn)行了研究,得到了閥芯啟閉過程中的流場壓力分布；蘭州理工大學(xué)的蘇華山博士[5]基于動網(wǎng)格技術(shù)分析了加油泵溢流閥內(nèi)流體振動及產(chǎn)生噪聲的原因；Dong-A大學(xué)的SONG[6]使用CFX軟件的動網(wǎng)格模型分析了溢流閥在不同超壓下的流場特性。以上研究均需要編寫較為復(fù)雜且容易出錯的UDF函數(shù),需花費(fèi)較多時間。

為了探索液壓閥瞬態(tài)流場特性,使閥芯在受力不平衡的狀態(tài)下自行開啟,受力平衡后處于穩(wěn)定狀態(tài),筆者采用FLUENT中的動網(wǎng)格6DOF模型來模擬閥芯運(yùn)動過程,避免了編寫較為復(fù)雜的UDF函數(shù)。為了驗證此方法的可行性,選用Valvistor閥作為研究對象,將閥芯作為運(yùn)動實體,閥芯運(yùn)動由其所受的流體力決定。

1Valvistor閥工作原理及數(shù)學(xué)建模

Valvistor閥工作原理如圖1所示。當(dāng)先導(dǎo)閥口關(guān)閉時,主閥進(jìn)油腔油液經(jīng)反饋節(jié)流槽流入并充滿控制腔,上下兩腔壓力相同,由于彈簧力及上下腔面積差作用,主閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)先導(dǎo)閥打開后,控制腔油液經(jīng)先導(dǎo)閥流至主閥出口,控制腔壓力下降,主閥芯向上移動；當(dāng)流經(jīng)反饋節(jié)流槽的流量與先導(dǎo)閥的流量相同時,達(dá)到穩(wěn)態(tài),主閥芯停止移動。

閥芯動力平衡方程為:

(1)

1-先導(dǎo)閥；2-閥套；3-閥芯圖1　Valvistor閥工作原理Fig.1　Working principle of valvistor valve

符號含義符號含義Ff液動力Cdx主閥口流量系數(shù)Aa閥芯小端面積ρ流體密度pi入口壓力wx主閥口面積梯度Ac閥芯大端面積θ射流角po出口壓力qm通過主閥口的流量pc控制腔壓力¨x閥芯加速度m閥芯質(zhì)x閥芯速度Bm阻尼系數(shù)x閥芯位移k復(fù)位彈簧剛度

忽略閥芯與閥套之間的摩擦力及閥芯重力,因其相對于流體力較小。其中,

(2)

(3)

則:

(4)

當(dāng)流場處于穩(wěn)態(tài)時,通過主閥口的流量為:

(5)

由式(5)可得:

(6)

其中,面積梯度wx為:

(7)

2數(shù)值計算方法

2.1幾何與網(wǎng)格劃分

根據(jù)實際流域建立液壓閥的流道模型,如圖2所示。因不知先導(dǎo)閥的具體尺寸,無法對先導(dǎo)閥進(jìn)行建模,因此,根據(jù)文中所使用實驗數(shù)據(jù),依據(jù)

將先導(dǎo)閥閥口簡化為小圓柱閥口。將小圓柱口的尺寸不斷修改,并將多組穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比之后,確定先導(dǎo)閥閥口為直徑1.1 mm,高0.1 mm的圓柱閥口,如圖2中OUTLET-2.

圖2　1/2流體域Fig.2　Half of the fluid domain

對于復(fù)雜幾何體而言,生成六面體網(wǎng)格較為困難。為減少劃分網(wǎng)格的時間,采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了更好地捕捉液壓閥的內(nèi)部流場,對壓力、速度梯度較大的局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

Fluent中的動網(wǎng)格技術(shù)需要確保拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,運(yùn)動物體不接觸到邊界,因動網(wǎng)格技術(shù)的此項限制,在閥芯與閥套之間有一個0.05 mm的預(yù)開口量來確保流體域是一個整體。

網(wǎng)格劃分如圖3所示,其中99.99%的網(wǎng)格質(zhì)量高于0.35,可認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量符合精度要求。

2.2假設(shè)

對Valvistor閥進(jìn)行解析計算時,對上述模型作如下假設(shè):

1) 假設(shè)Valvistor閥為理想錐閥,即閥芯與閥套配合精確無徑向間隙,且閥芯只有平移運(yùn)動,沒有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;

2) 流體為不可壓縮、恒定牛頓流體;

3) 不考慮熱傳遞,流體保持恒溫;

4) 忽略流體重力。

圖3　流域網(wǎng)格Fig.3　Mesh of the flow domain

2.3計算方法

瞬態(tài)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型;進(jìn)出口條件為壓力邊界,進(jìn)口壓力為4.25 MPa,出口壓力為0.7 MPa;激活動網(wǎng)格6DOF模型。因本次模擬采用四面體網(wǎng)格,選定動網(wǎng)格更新方法為彈性光順法與局部網(wǎng)格重構(gòu)法;壓力-速度耦合方式選用PISO格式;設(shè)置時間步長為0.001 ms,仿真時間0.04 s。

2.46DOF模型

因閥芯的運(yùn)動由作用在其上的流體力、閥芯重力以及其他力共同決定,其運(yùn)動規(guī)律難以用簡單的代數(shù)式給出。Fluent所提供的6DOF模型可計算物體在流體作用下的運(yùn)動學(xué)特征(速度、加速度、力等),求出其運(yùn)動軌跡。該模型將運(yùn)動部件作為剛體,忽略其變形。

為了計算閥芯在液壓力作用下的運(yùn)動姿態(tài),在6DOF模型中采用UDF宏DEFINE-SDOF-PROPERTIES定義剛體的質(zhì)量、動量、轉(zhuǎn)動慣量等,利用該函數(shù)對模型進(jìn)行簡化,只考慮閥芯沿Z軸的平移運(yùn)動,約束其在X,Y方向上移動,約束其繞X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動。

3仿真結(jié)果驗證

圖4　閥芯位移曲線Fig.4　Displacement curve of the valve core

圖4為閥芯位移曲線,因閥口處有0.05 mm的預(yù)開口量,且沒有考慮先導(dǎo)閥突然開啟的情況,所以位移曲線沒有超調(diào)現(xiàn)象。由位移曲線可知,在閥芯開啟的初期階段,閥芯運(yùn)動速度較大；隨著開啟過程的進(jìn)行,閥芯運(yùn)動速度逐漸減??；在0.02 s之前閥芯已經(jīng)趨于穩(wěn)定,閥芯位移0.660 5 mm。

圖5為閥芯穩(wěn)定后,主閥口處的流線圖,由圖可知,射流角約為51°.

圖5　主閥口處流線圖Fig.5　Streamline of the main valve

取Cdx為0.77[7],θ為51°,當(dāng)閥芯穩(wěn)定時,通過主閥口的質(zhì)量流量為1.454 1 kg/s,則由公式(6)計算得到閥芯位移x=0.696 8 mm,理論計算與仿真計算的相對誤差

根據(jù)閥芯壁面壓力分布，可以計算閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動力。仿真計算得到的穩(wěn)態(tài)液動力為75.9 N。為驗證本文計算方法,將仿真計算結(jié)果與理論計算得到的結(jié)果進(jìn)行比較。由理論計算式(2)推導(dǎo)出的結(jié)果為82.3 N，理論計算與仿真計算結(jié)果的相對誤差為7.8 %。

由控制腔壓力公式(4)可得:

仿真計算得到的控制腔壓力為2.3 MPa左右,如圖6所示。

由以上計算可知,理論計算與仿真計算結(jié)果的誤差較小,可以認(rèn)為仿真計算結(jié)果與理論計算結(jié)果相互吻合。因此，該模型具有較高精度和可靠性,能真實模擬液壓閥開啟過程中的流動狀態(tài)。

4動態(tài)流場分析

受篇幅所限,以下分析只給出t=0.001 s (S=0.12 mm),t=0.01 s(S=0.52 mm),t=0.02 s(S=0.66 mm)時的仿真計算結(jié)果。

4.1壓力分析

圖7為閥芯運(yùn)動過程中不同瞬時的流場壓力云圖。t=0.001 s時刻,閥口前端形成高壓區(qū),過流面積減小處形成低壓區(qū),此時閥芯下端面所受液壓力大于閥芯上端面液壓力,閥芯所受合力方向向上,向趨于打開方向運(yùn)動;t=0.01 s時刻,油液經(jīng)主閥口流入閥腔,主閥口處壓力迅速降低,在拐角處出現(xiàn)低壓區(qū);t=0.02 s時刻,閥芯上下端面受力平衡,運(yùn)動速度近似于0 m/s,位移達(dá)到最大值。

從圖中可以看出,隨著閥芯向上運(yùn)動,閥芯位移逐漸增大,閥芯上下端面壓力逐漸趨于平衡;不同瞬時,閥腔內(nèi)的壓力分布不斷變化,但閥內(nèi)最高壓力、最低壓力位置基本相同,壓力分布規(guī)律相似;閥口處壓力迅速降低,存在較大的壓力損失;在閥芯錐部上下端與閥座拐角處的位置出現(xiàn)低壓區(qū),在高壓環(huán)境下很容易產(chǎn)生氣穴、氣蝕現(xiàn)象。

圖7　不同瞬時壓力分布云圖Fig.7　Pressure distribution contours under different transient times

4.2速度分析

圖8　不同瞬時流場速度云圖Fig.8　Speed contours of flow field under different transient times

圖8給出了Valvistor閥閥芯運(yùn)動過程中不同瞬時的流場速度云圖。從圖中可以看出,不同瞬時,閥腔內(nèi)的速度分布不斷變化,但閥內(nèi)最大速度位置基本相同,即閥口處、上節(jié)流口處與控制腔出口處;隨著閥芯向上運(yùn)動,開口量逐漸增大,相對流速高的區(qū)域有所擴(kuò)大,流速高的區(qū)域貼著閥芯側(cè)面流動,在閥芯下端面中部流速接近0的區(qū)域也在縮小。由不同瞬時的流場速度云圖可看出,Valvistor閥內(nèi)部流場前后對稱,可簡化為1/2模型,以減少計算資源;結(jié)合壓力分布云圖可以看出,最大流速所在區(qū)域也是壓降最大的區(qū)域,同時流場內(nèi)的最小負(fù)壓值也位于附近。

5結(jié)論

1) 利用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件Fluent 14.5進(jìn)行了Valvistor閥三維瞬態(tài)流場仿真。結(jié)合瞬態(tài)模擬、動網(wǎng)格技術(shù)、動態(tài)方程,將閥芯位移、控制腔壓力、閥芯受到穩(wěn)態(tài)液動力的數(shù)值計算結(jié)果與理論計算值進(jìn)行比較,結(jié)果表明,該液壓閥模型建模正確,該方法具有較高精度和可靠性,能真實模擬液壓閥開啟過程中的流動狀態(tài)。因液壓閥的動態(tài)特性難以用穩(wěn)態(tài)模擬獲得,此方法對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的液壓閥,在設(shè)計階段進(jìn)行性能評估具有重要意義,之后將利用此模型研究不同壓差下的動態(tài)特性。

2) 液體在流動的過程中,過流面積突變處引起流速和壓力的相應(yīng)變化,在閥芯錐部上下端與閥座拐角處的位置出現(xiàn)低壓區(qū),在高壓環(huán)境下很容易產(chǎn)生氣穴、氣蝕現(xiàn)象。

3) 由速度云圖可知,閥內(nèi)流場前后對稱,可簡化為1/2模型,減少計算資源。參考文獻(xiàn)：

[1]鄭淑娟,權(quán)龍,陳青.閥芯運(yùn)動過程液壓錐閥流場的CFD計算與分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2007,38(1):168-172.

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(編輯：龐富祥)

Flow Field Characteristic Analysis of Valve Based on Dynamic Mesh 6DOF Technique

GUO Xiaoxia1,HUANG Jiahai1,2,QUAN Long1,WANG Shengguo2

(1.KeyLabofAdvancedTransducersandIntelligentControlSystem,MinistryofEducationandShanxiProvince,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,Shanxi030024,China;2.TechnologyCenterofTaiyuanHeaveyMachineryGroupYuciHydraulicIndustry,Yuci,Shanxi030600，China)

Abstract:The numerical simulation and visualization research of internal flow field of hydraulic valve have become one of the important directions in the field of fluid power transmission. But the present numerical analyses are limited to the steady model or constant spool movement velocity,thus impossible to simulate real transient flow field. In this paper, the transient flow field of the cartridge valve in the opening process is simulated by combining computational fluid dynamics software FLUENT with 6DOF model of dynamic mesh technique. The movement of the spool is decided by flow force which exerts on it. The spool stops moving when the forces are balanced.This method makes it easier to realize transient simulation and prevents writing more complex UDF functions. By comparing numerical simulation results about the valve displacement, pressure of the control chamber and the steady flow force with the theoretical formula calculation values,the results show that the numerical results are the same with theoretical value.So the proposed method is feasible to simulate the flow state in the opening process of hydraulic valve. And on this basis, the transient pressure field and velocity field of valve camber in the opening process of the valve are researched,which provides important theoretical basis for further research on hydraulic valve performance.

Key words:dynamic mesh technique;6DOF;fluent;valve;flow field

中圖分類號:TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.01.003

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目:有源、流量閉環(huán)先導(dǎo)級為驅(qū)動的電液流量控制理論與方法(511753620);新型先導(dǎo)脈寬調(diào)制的電液比例節(jié)流與調(diào)速復(fù)合控制方法及系統(tǒng)集成(51205271);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20121402120002)

作者簡介：郭曉霞(1990-),女,山西陽泉人,碩士生,主要從事液壓閥的CFD仿真研究,(E-mail)372472953@qq.com通訊作者：黃家海,男,副教授,主要從事液壓傳動及理論研究，(E-mail)huangjiahai@tyut.edu.cn

收稿日期：2015-08-29

文章編號:1007-9432(2016)01-0011-05