基于有限元方法的單向閥內(nèi)部流場(chǎng)分析

張文升， 王軍利*， 任志貴， 何亞銀， 馮博琳

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000； 2.西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽(yáng) 712099)

單向閥作為液壓方向控制閥的一類，是液壓系統(tǒng)中最基本且不可缺少的元件之一[1]，其動(dòng)態(tài)性能的好壞直接影響液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，直通式單向閥以其美觀、便捷的連接形式，廣泛應(yīng)用于液壓管路連接系統(tǒng)中。直通式單向閥有鋼球密封式和錐閥密封式兩種基本結(jié)構(gòu)。鋼球密封式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝簡(jiǎn)便，一般應(yīng)用在流量較小的系統(tǒng)中。錐閥密封式的單向閥，由于流道簡(jiǎn)單，阻力可以設(shè)計(jì)得較小，且活門(mén)可以設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，具有阻力小、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。

目前，針對(duì)錐閥密封式單向閥的研究大多數(shù)集中在參數(shù)研究上，對(duì)于其內(nèi)部流場(chǎng)的研究較少。國(guó)內(nèi)學(xué)者余武江等[2]應(yīng)用泵閥仿真軟件Pumplinx，對(duì)氣體單向閥三維動(dòng)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析；張曉東等[3]采用Fluent軟件對(duì)錐形節(jié)流閥的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；馬麗娜等[4]采用FLUENT軟件對(duì)FDY200/40B1型液控單向閥內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了仿真模擬；楊春?jiǎn)⒌萚5]設(shè)計(jì)了一種永磁彈簧單向閥，并采用FLUENT對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。

本文利用FLUENT流體仿真軟件，對(duì)某型號(hào)直通式單向閥內(nèi)部流場(chǎng)的變化進(jìn)行研究，通過(guò)控制活門(mén)開(kāi)度和改變活門(mén)通油孔面積對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)仿真得到單向閥的流阻與活門(mén)開(kāi)度、活門(mén)通油孔面積之間的變化規(guī)律，以及最大流速在單向閥內(nèi)部所產(chǎn)生的位置，研究結(jié)果對(duì)單向閥的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1.殼體 2.活門(mén) 3.彈簧 4.出口接頭 5.密封圈圖1 單向閥結(jié)構(gòu)原理圖

1 單向閥結(jié)構(gòu)及工作原理

該型號(hào)單向閥主要由殼體、活門(mén)、彈簧、出口接頭、密封圈等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)要求和幾何參數(shù)如表1所示。

單向閥安裝在液壓系統(tǒng)中，用于保證系統(tǒng)油液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)，防止油液倒流[6]。工作原理：當(dāng)單向閥進(jìn)、出口油液壓差大于開(kāi)啟壓力時(shí)，油液由進(jìn)口推動(dòng)活門(mén)克服彈簧力和摩擦力使活門(mén)打開(kāi)，油液由進(jìn)口經(jīng)活門(mén)上的通油孔再由出口流出；當(dāng)單向閥進(jìn)、出口壓差小于單向閥開(kāi)啟壓力時(shí)，活門(mén)在彈簧力和出口壓力的作用下復(fù)位，活門(mén)與殼體之間實(shí)現(xiàn)密封，防止油液倒流。

表1 某型號(hào)單向閥主要技術(shù)要求和幾何參數(shù)

2 模型建立

2.1 流體域模型建立

采用Solidworks三維建模軟件建立該單向閥的三維流體域模型。根據(jù)單向閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性，對(duì)單向閥的內(nèi)部三維流體域進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，具體如下：

(1)由于殼體與活門(mén)密封處的圓角較小，為便于數(shù)值計(jì)算，將殼體密封處簡(jiǎn)化為銳邊，將活門(mén)密封處簡(jiǎn)化為平面；

(2)若將活門(mén)的開(kāi)度固定，活門(mén)與殼體之間的間隙泄漏遠(yuǎn)小于單向閥的流量，對(duì)單向閥內(nèi)部油液流動(dòng)影響較小，因此將該處簡(jiǎn)化為活門(mén)與殼體之間無(wú)間隙，不存在泄漏；

圖2 單向閥流體域模型

(3)若將活門(mén)的開(kāi)度固定，彈簧所在的環(huán)形腔對(duì)單向閥內(nèi)部油液流動(dòng)特性影響較小，因此建立流體域模型時(shí)，將該環(huán)形腔省略。

經(jīng)過(guò)上述3個(gè)簡(jiǎn)化條件設(shè)置，簡(jiǎn)化后的單向閥的流體域模型如圖2所示。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型建立

在確定數(shù)值計(jì)算模型之前，首先要確定流體的流態(tài)，即判斷是層流還是湍流。通常在流體力學(xué)中，是通過(guò)雷諾數(shù)進(jìn)行判斷[7]。雷諾數(shù)Re計(jì)算如下：

(1)

式中η為動(dòng)力粘度，v=q/A為流速，d為進(jìn)口直徑，A為單向閥進(jìn)口處的面積。

根據(jù)單向閥的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算得到臨界雷諾數(shù)Re=6439>2600，因此可以判定油液在單向閥內(nèi)的流動(dòng)為湍流狀態(tài)[8]。湍流強(qiáng)度為

(2)

由于該單向閥內(nèi)部流道較為復(fù)雜，不但存在彎曲流道，而且流道存在突擴(kuò)、突縮現(xiàn)象，因此本文湍流模型采用RNGκ-ε模型。與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型相比，RNGκ-ε模型修正了湍動(dòng)粘度，考慮到湍流漩渦工況，同時(shí)在ε方程中增加了反應(yīng)主流時(shí)均應(yīng)變率的一項(xiàng)，提高了精度，對(duì)高應(yīng)變率以及流線彎曲較大的流動(dòng)具有較好的處理效果，避免了標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型用于強(qiáng)旋流、彎曲壁面流動(dòng)或者彎曲流線流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的失真[9]。另外為湍流Prandtl數(shù)和涉及低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性時(shí)提供了解析公式，具有更高的精度和可信度，因此選擇RNGκ-ε模型模擬單向閥內(nèi)部流場(chǎng)。

單向閥的流體域模型建立后，其網(wǎng)格劃分也十分重要。為充分反映單向閥內(nèi)部流場(chǎng)特性，應(yīng)對(duì)油液的物理參數(shù)變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密[10]。本文采用ANSYS ICEM CFD對(duì)單向閥流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并提高了活門(mén)與殼體密封處及活門(mén)通油孔處的網(wǎng)格密度，使其能夠更好地適應(yīng)數(shù)值模擬，單向閥計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 單向閥計(jì)算網(wǎng)格圖

根據(jù)單向閥主要技術(shù)參數(shù)、工況條件及上述計(jì)算結(jié)果，單向閥數(shù)值模擬入口邊界條件設(shè)置為速度入口，入口速度設(shè)置為8.5 m/s；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力設(shè)置為15 MPa；環(huán)境壓力設(shè)置為一個(gè)大氣壓；湍流強(qiáng)度I=5.35%。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

為研究單向閥的內(nèi)部流場(chǎng)，采用控制變量的方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，即針對(duì)活門(mén)開(kāi)度和活門(mén)孔通油面積兩個(gè)變量，保持其中一個(gè)參數(shù)不變，改變另一個(gè)數(shù)值，進(jìn)行模擬分析研究，得出活門(mén)開(kāi)度和活門(mén)孔通油面積對(duì)單向閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響。單向閥的開(kāi)度計(jì)算公式[11]為

(3)

式中：Qg為額定流量，C為錐閥流量系數(shù)(取C=0.7)，Dz為閥座內(nèi)孔直徑，αz為活門(mén)錐角的半角，g為重力加速度，ρ為油液密度，[ΔPδ]為單向閥的設(shè)計(jì)流阻。

根據(jù)單向閥的技術(shù)要求以及式(3)計(jì)算得到單向閥的理論開(kāi)度(≥2.8 mm)，數(shù)值計(jì)算時(shí)選取活門(mén)開(kāi)度為2、3、4、5 mm。由于單向閥進(jìn)出口面積為78.5 mm2，數(shù)值計(jì)算時(shí)活門(mén)通流面積分別選取進(jìn)出口面積的90%、100%、110%、120%、130%為計(jì)算參數(shù)，換算圓整后對(duì)應(yīng)的通油孔直徑分別為4-φ4.8 mm、4-φ5 mm、4-φ5.2 mm、4-φ5.5 mm、4-φ5.8 mm。

單向閥流量為40 L/min，活門(mén)通油孔尺寸為4-φ5 mm，活門(mén)開(kāi)度分別為2、3、4、5 mm時(shí)，單向閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布如圖4所示，單向閥的流阻(進(jìn)、出口壓差)變化曲線如圖5所示，內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量分布如圖6所示。單向閥流量為40 L/min，活門(mén)開(kāi)度為4 mm，通油孔直徑分別為4-φ4.8 mm、4-φ5 mm、4-φ5.2 mm、4-φ5.5 mm、4-φ5.8 mm時(shí)，單向閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布如圖4(c)、圖7所示，流阻變化曲線如圖8所示，內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量分布如圖6(c)、圖9所示。

圖4 流量40 L/min、活門(mén)通油孔尺寸4-φ5 mm、不同活門(mén)開(kāi)度下截面壓力分布圖

圖5 流量40 L/min、活門(mén)通油孔尺寸4-φ5 mm、不同活門(mén)開(kāi)度下流阻變化趨勢(shì)圖

圖6 流量40 L/min、活門(mén)通油孔尺寸4-φ5 mm、不同活門(mén)開(kāi)度下截面速度矢量分布圖

圖7 活門(mén)開(kāi)度4 mm、不同活門(mén)通油孔尺寸下壓力分布圖

由圖4、圖5可得，單向閥流量為40 L/min，活門(mén)通油孔尺寸為4-φ5 mm，活門(mén)開(kāi)度為2、3、4、5 mm時(shí)，單向閥的流阻分別為0.285、0.175、0.140、0.127 MPa，即流阻隨著活門(mén)開(kāi)度的增大而減小，且減小的速率降低。

由圖4、圖5、圖7可得，單向閥流量為40 L/min，活門(mén)開(kāi)度為4 mm，通油孔直徑4-φ4.8 mm、4-φ5 mm、4-φ5.2 mm、4-φ5.5 mm、4-φ5.8 mm時(shí)，單向閥的流阻分別為0.147、0.140、0.133、0.122、0.116 MPa，即流阻隨著通油孔面積的增加而減小，且在通油孔尺寸為4-φ5.5 mm時(shí)減小率最大。

另外，由圖4、圖7壓力分布云圖還可以看出，在單向閥的內(nèi)部流場(chǎng)中，活門(mén)密封處、活門(mén)通油孔處是產(chǎn)生壓力損失的主要部位，這是由于該處油液流動(dòng)方向變化較大造成，因此優(yōu)化活門(mén)密封處和活門(mén)通油孔處的結(jié)構(gòu)是減小單向閥流阻的有效途徑。由壓力分布云圖還可以得到，油液壓力低壓區(qū)域主要分布于活門(mén)通油孔后側(cè)區(qū)域，所以在高壓環(huán)境下，這些區(qū)域容易產(chǎn)生氣穴。

由圖5不同開(kāi)度下流阻變化趨勢(shì)圖可得，單向閥的流阻隨著活門(mén)開(kāi)度的增大而減小，但減小的速率降低，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)單向閥開(kāi)度達(dá)到一定值后，只增大活門(mén)開(kāi)度對(duì)減小流阻效果不明顯，反而會(huì)增大產(chǎn)品的體積和重量。

由圖8不同活門(mén)通油孔尺寸時(shí)流阻變化趨勢(shì)圖可得，單向閥的流阻隨著活門(mén)通油孔面積的增大而減小，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足活門(mén)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量增大活門(mén)通油孔面積。由圖6可得，當(dāng)活門(mén)開(kāi)度為2 mm時(shí)，單向閥內(nèi)部活門(mén)密封處和活門(mén)通油孔處流速最大，隨著活門(mén)開(kāi)度增大，活門(mén)密封處速度仍是最大，但最大速度值是減小的。由圖6、圖9可得，隨著活門(mén)通油孔尺寸的增大，最大流速隨之減小。同時(shí)油液在活門(mén)密封處、活門(mén)通油等處產(chǎn)生漩渦。

圖8 活門(mén)開(kāi)度4 mm、不同活門(mén)通油孔尺寸下流阻變化趨勢(shì)圖

圖9 活門(mén)開(kāi)度4 mm、不同活門(mén)通油孔尺寸下截面速度矢量分布圖

對(duì)此做出總結(jié)：隨著活門(mén)開(kāi)度的逐漸加大，單向閥流阻減小且減小趨勢(shì)降低；隨著活門(mén)通油孔面積的逐漸增大，單向閥的流阻也逐漸減小。另外單向閥活門(mén)密封處、活門(mén)通油孔等處易產(chǎn)生漩渦，降低單向閥流阻應(yīng)該從優(yōu)化產(chǎn)生漩渦部位的結(jié)構(gòu)入手。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)對(duì)某型號(hào)單向閥內(nèi)部流場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行仿真研究可得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)單向閥流量保持不變時(shí)，隨著活門(mén)開(kāi)度的增大，流阻減小，且減小趨勢(shì)減弱；在活門(mén)開(kāi)度保持不變時(shí)，隨著活門(mén)通油孔面積的增大，流阻也隨之減小。

(2)當(dāng)單向閥流量保持不變時(shí)，隨著活門(mén)開(kāi)度的增大，內(nèi)部油液最大流速隨之降低；當(dāng)活門(mén)開(kāi)度一定時(shí)，隨著通油孔面積的增大，最大流速也隨之降低，且最大流速均出現(xiàn)在活門(mén)密封處和活門(mén)通油孔處，同時(shí)油液在該處附近產(chǎn)生漩渦。因此，在單向閥設(shè)計(jì)中，在保證活門(mén)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量增大活門(mén)通油孔面積。另外在單向閥活門(mén)開(kāi)度達(dá)到一定值后，再通過(guò)增大開(kāi)度來(lái)降低流阻、優(yōu)化內(nèi)部流態(tài)，效果將不再明顯，應(yīng)從優(yōu)化活門(mén)密封處和活門(mén)油孔的結(jié)構(gòu)入手。