二維閥先導級污染顆粒分布的數(shù)值模擬

趙永華，阮健，張嘉波

(1.浙江工業(yè)大學機械工程學院，浙江杭州 310014；2.嘉興職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院，浙江嘉興 314036)

0 前言

由于高壓、高性能、微型集成化等發(fā)展方向的需要，在實際應(yīng)用中，對液壓系統(tǒng)清潔度的要求越來越苛刻。據(jù)統(tǒng)計，75%的液壓系統(tǒng)故障是由油液污染引起的，其中固體污染物的危害最大，占故障總污染物的60%～70%[1]。作為控制液壓系統(tǒng)流量、方向、壓力的液壓閥，對固體污染物最敏感，其可靠性直接影響到液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性[2]。

基于液壓閥卡緊、磨損以及出現(xiàn)故障的原因，很多研究者通過仿真和實驗的方法，分析了液壓閥內(nèi)固體污染物的分布規(guī)律，并從結(jié)構(gòu)上采取措施加以改善。趙春玲等[3-5]利用Fluent軟件中的歐拉多相流模型對液壓滑閥內(nèi)流場進行了固液兩相流數(shù)值模擬，分析了均壓槽及液壓滑閥配合間隙內(nèi)的顆粒分布規(guī)律。范家輝等[6]針對某型裝甲車輛綜合傳動定壓滑閥在污染環(huán)境下配合間隙泄漏問題，對不同配合間隙下液壓滑閥的流場進行數(shù)值仿真，獲得了該流場特性與泄漏量變化的規(guī)律。李森林等[7]基于Fluent DPM多相流模型，探討了油液流動方向、進口流速、顆粒物(等效)直徑、顆粒物形狀因子對液壓節(jié)流錐閥的沖蝕破壞影響。 張海平[8]通過介紹雅各布教授的實驗研究成果，分析了應(yīng)對油液污染提高液壓元件抗磨損能力的途徑。

與傳統(tǒng)滑閥相比，轉(zhuǎn)閥具有工作頻率高、對油污染不敏感、故障率低等優(yōu)點[9]。國外對液壓轉(zhuǎn)閥的研究較早，在結(jié)構(gòu)上進行了大量的創(chuàng)新和設(shè)計，如轉(zhuǎn)板式液壓轉(zhuǎn)閥、轉(zhuǎn)塞式液壓轉(zhuǎn)閥、轉(zhuǎn)齒式液壓轉(zhuǎn)閥、轉(zhuǎn)軸式液壓轉(zhuǎn)閥。國內(nèi)對液壓轉(zhuǎn)閥的研究，也相繼出現(xiàn)了2D 數(shù)字電液換向閥、回轉(zhuǎn)直動式電液伺服閥[10-11]。

二維(2D)閥是將先導級和功率級集成在一個閥芯的2個運動自由度上，易于實現(xiàn)閥的快速工作和高頻響應(yīng)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、動態(tài)特性理想、泄漏流量小以及功率質(zhì)量比大等優(yōu)點[12-16]。本文作者以二維閥先導級為研究對象，利用Fluent軟件，采用歐拉多相流模型，通過計算揭示固體顆粒在閥內(nèi)的分布規(guī)律，為二維閥抗污染能力提供數(shù)據(jù)參考。

1 二維閥的工作原理

二維閥的工作原理如圖1所示。閥的先導級處高低壓槽與斜槽形成的兩重疊面積起到節(jié)流口的作用，組成一個半橋回路，通過閥芯的旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動閥芯直線運動。為保證閥芯具有位置反饋，高壓節(jié)流口和低壓節(jié)流口側(cè)邊的切線與閥芯軸線方向呈一定傾角，當閥芯運動時，油液從節(jié)流口流出后會形成空間射流角，產(chǎn)生的液動力相對閥芯軸線方向有軸向、徑向和周向分力。先導級閥口處的流體流動直接影響閥芯的運動特性。

圖1 二維閥的工作原理

圖2 二維開關(guān)閥模型(a)及其流體模型(b)

2 仿真前處理

2.1 計算模型

利用UG三維建模軟件，建立三通徑二維開關(guān)閥三維模型，如圖 2(a)所示。反向建模生成流道模型，二維閥先導級閥口通道結(jié)構(gòu)具有雙流道中心對稱的特點，如圖 2(b)所示。流體從入口流入，經(jīng)過渡流道至節(jié)流口，然后流入閥套上的斜槽至圖1中的敏感腔。進口流道直徑為2 mm，過渡流道直徑為1.2 mm，出口處的面積約為4.5 mm2。此研究選取一半的流體模型作為分析對象。

使用Mesh軟件進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，采用四面體網(wǎng)格，對滑移面和節(jié)流口進行局部加密處理，使計算結(jié)果更加精確。得到網(wǎng)格數(shù)量為223 568。

圖3 二維閥流道網(wǎng)格

2.2 計算條件

利用Fluent的歐拉-歐拉模型，固液兩相之間曳力函數(shù)選擇Syamlal-O’Brien模型，比較適合計算液壓閥中具有局部顆粒聚集的現(xiàn)象[4，17]。混合物的連續(xù)性方程為

(1)

混合物的動量方程為

(2)

材料設(shè)置為：油液密度889 kg/m3，動力黏度0.035 56 kg/(m·s)，假設(shè)固體顆粒為理想球體，顆粒大小通過在分相中設(shè)置直徑大小來確定，固體顆粒的密度在2 000～7 200 kg/m3之間取值。邊界條件的設(shè)定：邊界條件為壓力進口、壓力出口，進口壓力為10 MPa，出口壓力為0.1 MPa，進口設(shè)置固體顆粒的體積分數(shù)為0.05，出口設(shè)置回流固相體積分數(shù)為0。各項收斂殘差取10-6。

流場計算中，選用標準κ-ε湍流模型，無滑移邊界條件，相流模型使用兩相流模型，速度與壓力耦合采用SIMPLE算法；采用滑移網(wǎng)格模型，瞬態(tài)計算流體在閥內(nèi)的流動。

3 固體顆粒物在流場的分布

對二維閥先導級流場內(nèi)固體顆粒物的分布選擇2個研究面：面1為模型出口的流體面，面2為通過過渡流道軸線并垂直于進口流道軸線的流體面(z=2.362 897 071 mm)。

圖4是閥口開度為0.015 mm、固體顆粒粒徑3 μm、顆粒的密度7 200 kg/m3時，二維閥先導級流場特性云圖。

圖4 流場特性云圖

由圖4(a)可以看出：固體顆粒在研究面上幾個旋渦的中心區(qū)域分布較少，在旋渦邊緣區(qū)域體積分數(shù)較高，這是由于固體顆粒的密度比油液密度大，在旋渦的離心力作用下固體顆粒被甩到了旋渦的邊緣。對比分析面1和分析面2，分析面2的節(jié)流口射流效應(yīng)導致固體顆粒在射流方向發(fā)生改變的轉(zhuǎn)角處聚集性更高，而分析面1上的固體顆粒沿著旋渦邊緣分布較為均勻。

圖4(b)(c)是與圖4(a)中分析面2相對應(yīng)的壓力云圖和速度流線。如圖4(b)壓力云圖所示，節(jié)流口上下游的壓力分別為10.16、0 MPa，壓差作用下，射流效應(yīng)使得固體顆粒在閥套斜槽區(qū)的侵入明顯。從圖4(c)可以看到：在節(jié)流口處，由于流動通道尺寸突然變小，從節(jié)流口流出的流束在閥套斜槽區(qū)中間形成了旋渦，最大速度出現(xiàn)在斜槽內(nèi)側(cè)，為53.56 m/s，此處的高速流束將侵入的固體顆粒沖至兩側(cè)拐角處，形成顆粒濃度較高的聚集區(qū)，旋渦的作用又將一側(cè)的顆粒甩到斜槽外側(cè)邊緣。

4 影響顆粒分布的因素

為了定量地分析二維閥先導級流場內(nèi)顆粒的分布情況，取分析面1為研究對象，沿著Y方向的不同位置顯示固相顆粒體積隨著各因素的變化曲線。

4.1 閥口開度大小

圖5所示為二維閥先導級流場分析面1上在節(jié)流口開度為0.005、0.01、0.02、0.03、0.04 mm時，與固相體積分數(shù)的關(guān)系。如圖所示，沿著Y軸正向，3.0～3.6 mm為斜槽內(nèi)側(cè)，3.6～4.2 mm為斜槽中間區(qū)域，4.2～4.7 mm為斜槽外側(cè)?？梢钥闯觯盒￠_度時固相分布均勻，隨著節(jié)流口開度的增大，斜槽內(nèi)外側(cè)的固相體積分數(shù)均在增大，出現(xiàn)顆粒聚集；從閥口開度為0.01 mm的曲線可以看出，固相體積分數(shù)的增加始于斜槽的外側(cè)。在大開度條件下，斜槽兩側(cè)和中間區(qū)域的固相體積分數(shù)分化顯著，隨著節(jié)流口開度的增大，斜槽外側(cè)的體積分數(shù)增大遲緩，且保持在高位，斜槽內(nèi)側(cè)的體積分數(shù)增大明顯，而中間區(qū)域幾乎無固相顆粒存在?？傮w來看，隨著節(jié)流口開度的增大，閥套斜槽內(nèi)的固相顆粒聚集在斜槽邊緣，這與因閥芯節(jié)流口開度的增大造成的閥口流束的射流效應(yīng)和閥套斜槽區(qū)域的旋渦變化有關(guān)。在二維閥工作條件下，隨著節(jié)流口開度的增大，閥口射流速度增大，固體顆粒很大一部分被主流束帶向節(jié)流口下游的斜槽區(qū)，在旋渦作用下甩向斜槽邊緣。

圖5 固相體積分數(shù)隨閥口開度的變化

4.2 固相顆粒的密度

圖6所示為二維閥先導級流場分析面1上在固相顆粒密度為2 000、4 000、6 000、7 200 kg/m3時，與固相體積分數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯觯汗滔囝w粒密度為2 000 kg/m3時，斜槽區(qū)內(nèi)外側(cè)的固相顆粒聚集顯著，斜槽中間區(qū)域基本沒有顆粒存在；另外3類顆粒密度時，斜槽內(nèi)的固相顆粒體積分數(shù)均高于0.05，固相顆粒密度為4 000 kg/m3時，體積分數(shù)分布較為均勻，其余兩類顆粒密度時斜槽外側(cè)比內(nèi)側(cè)的顆粒聚集濃度大，斜槽外側(cè)與中間區(qū)域開始出現(xiàn)較大的分布差。究其原因，是由于顆粒密度小時，固相的存在沒有影響到液體主流束的流動，顆粒被旋流沖至流道邊緣；隨著顆粒密度的增大，固相顆粒與液流混合均勻，密度大到一定程度，顆粒自身的慣性逐漸增大，在旋渦的離心力作用下，被甩至斜槽邊緣的顆粒增多，表明密度大的固體顆粒更易進入節(jié)流口下游的閥套斜槽區(qū)，聚集度增大。

圖6 固相體積分數(shù)隨固相顆粒密度的變化

4.3 固相顆粒的粒徑

圖7所示為二維閥先導級流場分析面1上在固相顆粒粒徑為1、3、5、8 μm時，與固相體積分數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯觯汗滔囝w粒粒徑為1 μm時，除中間區(qū)域的局部位置無顆粒，斜槽區(qū)其余位置的固相顆粒分布較為均勻；另外3種粒徑條件下，斜槽內(nèi)的固相顆粒體積分數(shù)均高于0.05，且斜槽外側(cè)比內(nèi)側(cè)的顆粒聚集濃度大。這一分布規(guī)律的原因在于計算條件中已經(jīng)假設(shè)了顆粒為理想球體，故隨著粒徑的增大，同樣的顆粒數(shù)目和顆粒密度下，其所占據(jù)的空間體積就越大，顆粒質(zhì)量及其慣性越大，在旋渦離心力和壓差作用下就越容易進入節(jié)流口下游區(qū)域。

圖7 固相體積分數(shù)隨固相粒徑的變化

4.4 閥芯旋轉(zhuǎn)的方向

圖8所示為二維閥先導級流場分析面1上在閥芯旋轉(zhuǎn)方向為正向(節(jié)流口開度逐漸增加)和反向(節(jié)流口開度逐漸減小)時，與固相體積分數(shù)的關(guān)系。如前述工作原理，二維閥工作時，控制器控制閥芯正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)閥芯的左右移動。如圖8所示，相同參數(shù)條件下，閥芯正、反轉(zhuǎn)時，閥套斜槽區(qū)內(nèi)固相顆粒的體積分數(shù)分布情況極其相似，均為斜槽側(cè)緣顆粒聚集度很高，斜槽中間區(qū)域幾乎沒有顆粒存在，呈旋渦態(tài)流束的典型分布。

圖8 固相體積分數(shù)隨閥芯轉(zhuǎn)向的變化

5 結(jié)論

文中基于Fluent模擬計算了二維閥先導級內(nèi)的流場，揭示了固體顆粒在閥內(nèi)的分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)固體顆粒在射流形成的旋渦離心力和節(jié)流口上下游壓差的共同作用下進入閥套斜槽區(qū)，產(chǎn)生聚集現(xiàn)象；固體顆粒在旋渦中心區(qū)域分布較少，在旋渦邊緣區(qū)域，特別是閥套斜槽外側(cè)濃度較高。

(2)隨著節(jié)流口開度的增大，閥套斜槽內(nèi)固相顆粒的體積分數(shù)差增大，斜槽周邊濃度大，中間區(qū)域濃度極低；固相密度小時，射流束主導顆粒的分布(斜槽周緣顆粒濃度極高，中間區(qū)域濃度極低)，固相密度逐漸增大時，旋渦態(tài)流束主導顆粒的分布，固相顆粒在斜槽外側(cè)聚集顯著；隨著顆粒粒徑的增大，斜槽外側(cè)的固相體積分數(shù)逐漸增大。

(3)閥芯正、反轉(zhuǎn)時，閥套斜槽區(qū)內(nèi)固相顆粒的體積分數(shù)分布情況極其相似，呈旋渦態(tài)流束的典型分布。