某型比例閥內(nèi)流仿真及流量線性分析

重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司 李亞洲 付健 梁宏喜 郭元

一、引言

比例閥對(duì)流量線性調(diào)節(jié)和響應(yīng)速度是整個(gè)控油系統(tǒng)的關(guān)鍵，在柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中比例閥出口處燃油經(jīng)過(guò)泵體低壓進(jìn)油道后進(jìn)入油腔，比例閥起著控制進(jìn)入柱塞腔燃油量的作用，從而控制泵入共軌管中高壓燃油的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌壓的動(dòng)態(tài)控制。為滿足共軌油泵對(duì)比例閥流量線性要求，根據(jù)給定的供油邊界條件，文中設(shè)計(jì)了三種不同的結(jié)構(gòu)，分析各結(jié)構(gòu)下比例閥內(nèi)部流場(chǎng)分布情況及供油特性，以獲得較大流量線性比例極限。

二、設(shè)計(jì)方案

以國(guó)內(nèi)某型柴油機(jī)比例閥為分析對(duì)象，該閥開(kāi)口處的幾何尺寸如圖1所示，為了研究矩形開(kāi)口尺寸及出口管道類(lèi)型對(duì)比例閥流量調(diào)節(jié)的線性度和響應(yīng)速度的影響情況，本文設(shè)計(jì)三種研究方案，其設(shè)計(jì)方案如表1所示。

圖1 比例閥開(kāi)口結(jié)構(gòu)示意圖

表1 比例閥研究方案

三、建模

該比例閥由閥芯、閥套、閥殼體、彈簧和銜鐵等零件組成，其剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。比例閥內(nèi)部流域從低壓進(jìn)油接頭到出油口之間的區(qū)域，因此抽取流道時(shí)僅對(duì)管接頭、閥芯、閥套、閥殼體之間的區(qū)域建模。

圖2 比例閥流域模型剖面圖

四、網(wǎng)格及邊界條件

本文采用mesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，閥口處采用了相同尺寸的網(wǎng)格（0.1mm）劃分，設(shè)置全局網(wǎng)格尺寸為0.5mm，最終生成的網(wǎng)格單元數(shù)量約280萬(wàn)，網(wǎng)格模型如圖3所示。閥穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)燃油密度823k g/m3，粘度為0.003kg/m·s；進(jìn)口端壓力設(shè)為0.4MPa，湍流強(qiáng)度為0.5%；出口端連接柱塞低壓吸油腔，本文是為了比較各種結(jié)構(gòu)比例閥在相同邊界條件下的流通特性，因此出口壓力統(tǒng)一設(shè)置為0MPa，湍流強(qiáng)度為2%，參考?jí)毫?.1MPa。

圖3 比例閥網(wǎng)格模型

五、計(jì)算模型

從RNGk-ε湍流模型相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，在復(fù)雜剪切流動(dòng)，旋流以及存在流動(dòng)分離的場(chǎng)合中具有很好的預(yù)測(cè)效果,結(jié)合比例閥內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流動(dòng)狀況，選擇該模型作為分析比例閥內(nèi)部流場(chǎng)的湍流模型。

RNG k-ε湍流模型的湍動(dòng)能和湍流耗散的輸運(yùn)方程如下：

式中：Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM表示在可壓縮流動(dòng)中，湍流脈動(dòng)膨脹到全局流程中對(duì)耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng)；Sk、Sε為用戶定義的湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)；C1ε、C2ε為模型常量；σk、σε為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的湍流Prandt數(shù)。

六、計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)對(duì)比

本文采用FLUENT軟件對(duì)比例閥內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，對(duì)比各結(jié)構(gòu)比例閥組件在共軌油泵中的供油特性，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果得到具有較好的流通特性比例閥結(jié)構(gòu)，然后對(duì)比分析各方案的開(kāi)度-流量曲線情況。

1.壓力場(chǎng)分析

圖4、圖5為A、B截面的壓力云圖，可以看出當(dāng)比例閥開(kāi)度為4mm時(shí)，在閥口區(qū)域產(chǎn)生的壓降約占總壓降的47%，在低壓油道內(nèi)產(chǎn)生的壓降約占總壓降的33%。方案二壓力云圖與方案一相似，都是由于低壓油道的存在產(chǎn)生了較明顯的壓力損失，導(dǎo)致比例閥的有效壓差明顯降低。閥口區(qū)域產(chǎn)生的壓降約占總壓降的44%，在低壓油道內(nèi)產(chǎn)生的壓降約占總壓降的35%；方案三改進(jìn)了閥低壓出口段結(jié)構(gòu)，低壓油道中產(chǎn)生了的壓力損失大大減少，比例閥的有效壓差得到保證。閥口區(qū)域產(chǎn)生的壓降約占總壓降的64%，在低壓油道內(nèi)產(chǎn)生的壓降約占總壓降的7%；因此方案三具有較好的壓力效果。

圖4 A截面壓力云圖

圖5 B截面壓力云圖

2.速度場(chǎng)云圖

圖6、圖7是A、B截面的速度云圖，可以看出方案一和方案二的B截面在油道的兩個(gè)拐角下游，流速分布不均勻，最大局部速度達(dá)18m/s，約為平均速度的2倍。而從方案三的B截面速度場(chǎng)云圖中可以看出，由于油道拐角數(shù)量由2個(gè)減少到1個(gè)，速度場(chǎng)分布較為均勻，最大局部速度達(dá)13m/s，約為平均速度的1.25倍。故方案三比例閥具有較好的流動(dòng)特點(diǎn)。

圖6 A 截面速度云圖

圖7 B截面速度云圖

3.進(jìn)口流量特性

圖8是各方案的開(kāi)度-流量曲線圖，橫坐標(biāo)代表開(kāi)度，縱坐標(biāo)代表流量。方案一可以看出在小開(kāi)度區(qū)間流量具有明顯線性，當(dāng)開(kāi)度達(dá)到75%以上流量隨開(kāi)度增加略微減緩，一定程度上破壞了比例閥的線性特性，在最大開(kāi)度下流量值為23.48L/min。方案二比例閥流量曲線在小開(kāi)度區(qū)間具有明顯線性，在最大開(kāi)度下流量值分別為23.49 L/min，與方案一相比并無(wú)明顯的流量提升，前兩種方案的流通能力相同。方案三比例閥流量曲線在80%以下的開(kāi)度區(qū)間內(nèi)具有較好的線性特性，其流量線性比例極限為87.5%；最大開(kāi)度下流量值分別為29.22L/min，相比前兩種方案有明顯的流量提升，且流量特性的線性度較好。因此，方案三的比例閥設(shè)計(jì)方案具有最寬廣的線性工作區(qū)間和較大的流通能力。

圖8 開(kāi)度-流量曲線特性

4.實(shí)驗(yàn)分析

圖9為比例閥實(shí)驗(yàn)回路圖，裝置總共由泵、蓄能器、溢流閥、溫度計(jì)、壓力表、比例閥以及流量計(jì)組成，圖10是比例閥實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小控制閥芯的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，隨控制電流的增大，閥逐漸關(guān)閉。圖11是控制電流與流量的關(guān)系，從圖11中可以看出閥關(guān)閉過(guò)程與開(kāi)啟過(guò)程流量特性曲線相吻合；在全開(kāi)狀態(tài)下，流量為29.1L/min，與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差為0.04%，在0.2～28L/min范圍有較好的線性特征，線性比例極限達(dá)88%，與仿真結(jié)果一致。

圖9 比例閥實(shí)驗(yàn)回路

圖10 比例閥實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖11 電流-流量

七、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析得到如下結(jié)論：(1）方案三內(nèi)部流速分布均勻，最大局部速度為13m/s，閉口區(qū)域壓降占總壓降64%，低壓流道壓降占總壓降7%。(2）方案三比例閥設(shè)計(jì)具有較寬的線性工作區(qū)間和較大的流通能力。(3）方案三比例閥流量特性曲線仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，該方案下閥結(jié)構(gòu)更適合燃油系統(tǒng)進(jìn)油要求。

閥口尺寸及低壓管道類(lèi)型會(huì)影響比例閥內(nèi)流場(chǎng)分布，為了獲得較大流量線性極限，本文采用了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)三種方案。結(jié)果表明：閥開(kāi)度為4mm時(shí)，方案三與前兩種方案相比閉口區(qū)域壓降上升約為18%，低壓管道壓降下降約為27%；方案三流速分布較均勻，局部最大速度為13m/s；方案三在80%開(kāi)度以下流量線性特性較好，線性比例極限為87.5%，最大流量為29.22L/min；方案三的流量特性實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，綜述，方案三設(shè)計(jì)具有較好的線性區(qū)間和較大的流通能力，適合燃油系統(tǒng)供油要求。