基于Fluent的漸變節(jié)流式液壓緩沖器內(nèi)部流場分析

陳慶堯，尤小梅，孟 磊

(1.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司 市場品牌部，遼寧 沈陽 110869)

液壓緩沖器是車輛懸掛系統(tǒng)的重要組成部件[1]。它具有減速過程平穩(wěn)、緩沖效率高、使用壽命長等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于機械裝備、車輛和軍事設(shè)備上。液壓緩沖器的性能優(yōu)劣在很大程度上關(guān)系到車輛的駕駛舒適性和操控靈活性。深入研究液壓緩沖器的內(nèi)部流場，對提高其工作性能具有重要作用。

此前，有研究者曾采用有限元法對不同初速度下的緩沖器行程、緩沖力以及阻尼特性進行了研究[2-4]。王穎[5]、王成文[6]利用Fluent軟件建立新型液壓緩沖器動網(wǎng)格模型，通過數(shù)值模擬得到了對應(yīng)柱塞不同位移的內(nèi)部流場網(wǎng)格變化、壓力及速度的分布曲線。梁翠平利用Fluent軟件對液壓沖擊器的各種復(fù)雜流道和換向閥節(jié)流口處的流場進行數(shù)值模擬，并定性分析了流體速度、流線、旋渦與能量損失的關(guān)系[7]。郝保臣等在用Fluent軟件建立某火炮液壓緩沖器內(nèi)部流場模型后，分析了活塞桿速度、節(jié)流桿直徑與液壓阻尼系數(shù)的關(guān)系[8-9]。研究者在文獻[10-11]中，利用Fluent軟件對軍用裝備上的液壓緩沖器內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，并分析了流場隨活塞運動的變化規(guī)律和液壓阻尼特性。Song通過調(diào)研，提出了一種能夠準(zhǔn)確測定液壓緩沖器阻尼特性的新方法[12]。Tan等通過建模仿真，對比分析了汽車液壓緩沖器的實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果[13]。

本文以漸變節(jié)流式液壓緩沖器作為研究對象，利用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)和用戶自定義函數(shù) (User Define Function，UDF)，對其阻尼孔及高壓腔的工作過程進行動態(tài)數(shù)值模擬，得出緩沖器內(nèi)部流場不同時刻的壓力曲線、壓力云圖和速度云圖，為漸變節(jié)流式液壓緩沖器的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

1 液壓緩沖器的結(jié)構(gòu)

漸變節(jié)流式液壓緩沖器剖面如圖1所示。液壓緩沖器工作時，左側(cè)沖擊塊沖擊活塞桿，使其向右側(cè)運動；油液流過阻尼孔與針形節(jié)流桿之間的縫隙，到達油腔Ⅰ，致使油腔I內(nèi)壓力迅速升高，在阻尼孔左右兩端形成壓力差；在緩沖力作用下，油液向左側(cè)流動，到達油腔Ⅱ；彈簧受力而壓縮；在隔離活塞緩沖速度為零時，緩沖過程結(jié)束，彈簧恢復(fù)初始位置，彈簧彈力推動油液向右流動，使活塞桿復(fù)位。

1．沖擊塊；2.活塞桿；3.隔離活塞；4.液壓缸；5.針形節(jié)流桿；6.油腔Ⅰ；7.阻尼孔；8.油腔Ⅱ；9.彈簧

2 液壓緩沖器建模

為了用數(shù)值模擬方法分析液壓緩沖器內(nèi)部流場壓力和速度的變化規(guī)律，本文以Fluent動網(wǎng)格技術(shù)和UDF對緩沖器二維流場進行了求解。

2.1 模型建立

為減少液壓緩沖器內(nèi)部流場分析的計算量和計算耗時，本文利用ANSYS Workbench軟件包中的Design 模塊，建立了圖2所示緩沖器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的二維流場計算模型。

1.出口；2.邊界Ⅱ；3.邊界Ⅰ；4.邊界Ⅲ；5.針形節(jié)流桿；6.高壓腔；7.阻尼孔

2.2 網(wǎng)格劃分

在用ANSYS Workbench軟件包中的Meshing模塊，對緩沖器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)二維流場計算模型進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格單元選擇2-D單元模型，網(wǎng)格類型選擇Quad四邊形。為避免負網(wǎng)格問題，可將網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)為0.001 m。緩沖器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 緩沖器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 條件設(shè)置

2.3.1 油液參數(shù)

Fluent求解器分為壓力型和密度型兩種。從流動屬性考慮，本文所用油液為不可壓縮流體，因此應(yīng)采用壓力型求解器進行求解[14]。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，時間項設(shè)置為Transient，即瞬態(tài)模擬。所用油液的密度為889 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.145 W/(m·K)，比熱容為184 5 J/(kg·K)。

2.3.2 邊界條件

將液壓緩沖器流體動力學(xué)計算的邊界條件設(shè)置為壓力出口，且壓力出口位于阻尼孔左側(cè)，出口壓力默認(rèn)為0，其余參數(shù)也選擇默認(rèn)值。

2.3.3 動網(wǎng)格參數(shù)

緩沖器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的二維流場計算模型是采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的，與其相應(yīng)的網(wǎng)格動態(tài)變化過程應(yīng)采用彈簧近似光滑模型(Spring-Based Smoothing)與動態(tài)分層模型(Dynamic Layering)來計算[5]。在動態(tài)區(qū)域(Dynamic Mesh Zones)，將邊界Ⅰ和邊界Ⅱ設(shè)置為剛體(Rigid Body)，邊界Ⅲ設(shè)置為變形體(Deforming Body)，針形節(jié)流桿形成的3條邊界設(shè)置為固定邊界(Stationary)。剛體運動過程的模擬需采用UDF來實現(xiàn)。動網(wǎng)格模型的宏包括DEFINE_CG_MOTION、DEFINE_GRID_MOTION和DEFINE_GEOM。本文采用可控制剛體運動的DEFINE_CG_MOTION宏。因此，可編寫下列程序代碼：

DEFINE_CG_MOTION(throttle,dt, vel, omega, time, dtime)

{

CURRENT_TIME;

Vel[0]=1.5;

}

2.3.4 初始壓力和仿真時間

Fluent軟件常用的壓力—速度耦合算法有下列3種：SIMPLE、SIMPLEC和PISO。本文采用SIMPLE 壓力—速度耦合算法，且以松弛因子的默認(rèn)值進行計算。在數(shù)值計算前，需對流場進行初始化設(shè)置，可點擊Patch，將高壓腔初始壓力Pressure值設(shè)置為1 MPa[15-16]。

由于本文屬于非穩(wěn)態(tài)問題的研究，因此需設(shè)置時間步長(Time Step Size)和時間步數(shù)(Number of Time Steps)。這兩個參數(shù)的乘積即為計算所用時間。從計算的收斂性考慮，可將時間步長設(shè)為0.000 01 s，時間步數(shù)設(shè)為2 000。仿真所得殘差曲線如圖4所示。

圖4 仿真所得殘差曲線

從圖4可看出，X、Y兩個方向的速度殘差均能維持在1×10-4量級以下，仿真過程是收斂的。

3 緩沖器內(nèi)部流場分析

3.1 壓力分析

圖5所示為仿真所得緩沖器內(nèi)部流場不同時刻的壓力云圖。

(a) t=0.004 s

結(jié)合圖5分析可知：緩沖器開始工作的一瞬間，高壓腔油液受到擠壓，壓力迅速上升，針形節(jié)流桿與阻尼孔形成的縫隙壓力逐漸下降，油液向左側(cè)運動而通過阻尼孔時產(chǎn)生了阻尼作用，高壓腔與阻尼孔內(nèi)部流場的壓力分布較為均勻；隨著緩沖過程的進行，針形節(jié)流桿與阻尼孔會形成較長的縫隙，縫隙處流場的壓力仍為逐漸下降趨勢，高壓腔與阻尼孔內(nèi)部流場的壓力分布依然是均勻的。

圖6所示為仿真所得緩沖器內(nèi)部流場不同時刻的壓力曲線。

(a) t=0.004 s

結(jié)合圖6分析可知：液壓緩沖器開始工作后,隨著時間延長，其內(nèi)部流場的壓力分布越來越均勻；在壓力分布曲線中，流場某些位置會出現(xiàn)負壓，說明此處產(chǎn)生了氣穴。氣穴現(xiàn)象不僅會影響緩沖油液的性能，還會對緩沖器內(nèi)壁面造成氣蝕。為了避免氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，在設(shè)計緩沖器結(jié)構(gòu)時，應(yīng)防止緩沖器初始壓力過高、節(jié)流面積過小，以免油液流速過大。

3.2 速度分析

圖7所示為仿真所得緩沖器內(nèi)部流場不同時刻的速度云圖。

(a) t=0.004 s

結(jié)合圖7分析可知：緩沖器開始工作時，油液流速在壓力下降處加快，在針形節(jié)流桿與阻尼孔形成的縫隙處最大，在高壓腔壓力分布均勻之處為0，但會在節(jié)流桿頂部形成兩處小渦流；隨著活塞桿繼續(xù)向右運動，節(jié)流桿會擠壓端部區(qū)域油液，導(dǎo)致該區(qū)域油液流速隨時間延長而減小，節(jié)流桿頂部的兩處小渦流隨著時間的延長會變成大渦流，因此，漸變節(jié)流式液壓緩沖器在工作過程中能起到緩沖吸振的作用；在緩沖過程即將結(jié)束時，油液在針形節(jié)流桿與阻尼孔形成的縫隙處流速仍為最大值。

4 結(jié) 語

本文利用ANSYS Workbench軟件對漸變節(jié)流式液壓緩沖器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了建模及網(wǎng)格劃分，并通過Fluent軟件對緩沖器內(nèi)部流場進行仿真，分析了不同時刻內(nèi)部流場的壓力和速度分布規(guī)律。由壓力云圖和速度云圖可知，隨著緩沖的進行，在針形節(jié)流桿與阻尼孔形成的縫隙處，壓力逐漸降低，速度逐漸增大，并且在針形節(jié)流桿頂部形成兩處大渦流；由壓力分布曲線可知，液壓緩沖器內(nèi)部流場中某些位置的壓力小于大氣壓力時，可能會出現(xiàn)氣穴而引發(fā)缸筒內(nèi)壁面的氣蝕。因此，在緩沖器設(shè)計時，初選緩沖壓力不可過高，應(yīng)適當(dāng)增大阻尼孔的橫截面面積，使緩沖器節(jié)流面積增大，以避免氣穴現(xiàn)象的發(fā)生。本文可為漸變節(jié)流式液壓緩沖器的性能預(yù)測、結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供參考。