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摘要在利用CFD软件Fluent对电磁换向阀中的液压滑阀内部流场进行分析前提下,采用标准紊流模型模拟了内部流体的流动状态及漩涡的产生区域,并对其稳态液动力进行了分析,其结论为了解阀芯受力及流道结构优化设计提供了理论依据。
中图分类号:TH13文献标识码:A
0 引言
液压滑阀是液压传动与控制技术中非常重要的基础元件,其作用是控制流体的流动方向及流量大小。本文利用CFD软件Fluent对液压滑阀内部流场进行了分析研究。在液压滑阀节流口处由于液流动量(流速大小和方向)发生变化,将有稳态液动力作用在阀芯上,而液动力产生的能量损失会影响到阀芯的受力,通过对滑阀内部流场的可视化研究,可以了解到流体经过阀芯内部区域时所产生的压力分布,从压力分布上可以清楚的了解阀芯受力的原因。因此本文采用标准紊流模型模拟了内部流体的流动状态及漩涡的产生区域,并对其稳态液动力进行了分析,其结论为了解阀芯受力和阀内流道结构优化设计提供了理论依据。
1 数值模拟
流体流动所遵循的物理定律是建立流体运动基本方程组的依据,①描述阀体内部流场的控制方程主要包括流量连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型方程。其控制方程如下:
流量连续性方程div U = 0,即 +(1)
动量守恒方程
( + u + v + w)
=+ (u + v + w) + Fx(2)
( + u + v + w)
=+ (u + v + w) + Fy(3)
( + u + v + w)
=+ (u + v + w) + Fz(4)
模型采用标准k - 模型
标准k - 模型的湍动能k和耗散率方程为如下形式:
(5)
(6)
t = c (7)
其中,k为湍动能;为湍流耗散率;t 为湍流粘性系数。
在计算过程中,取C1 = 1.44,C2 = 1.92,C3 = 0.99,k = 1.0,g = 1.3。
2 可视化研究对象模型
为了尽可能使流道内流体的流动状态及漩涡所产生的区域接近真实性,液压滑阀的模型必须体现滑阀内流道的真实结构。通过分析流体在滑阀流道内的流动状态,建立了力学模型,从而建立起了描述力学模型的数学方程组,采用合理的假设和简化后,计算机能够更为快速和准确的计算,便于用目前的数学工具和方法解决问题。出口式节流阀滑阀的三维几何模型是建立在给定几何参数的条件下的,在建立滑阀三维模型的过程中尽量做到真实反映滑阀内部结构情况,为流体在滑阀流道内的流动状态的可靠模拟和计算奠定了基础。文中建立的滑阀几何模型是中心面对称结构,故依据对称性的要求,采用了滑阀三维几何模型流的一半进行仿真计算和结果分析,此结构的简化不但节省了计算机的内存,而且加快了计算机的计算时间。
图1出口式节流阀滑阀结构示意图
图2开口为0.5mm时的计算模型图
2.1 计算模型选取
图1为出口式节流阀滑阀结构示意图,图2为滑阀阀芯开口量为0.5mm时的计算模型图。
2.2 边界条件的设定和计算过程
在Gambit中将几何模型处理结束后,将其导入到求解器Fluent 中进行求解。在Fluent 中,为前处理的几何模型选择求解器、设置材料特性、设置边界条件和初始化等。这里计算条件为:流体为不可压缩、恒定的牛顿流体;流体与壁面接触的边界为静止无滑移壁面;进口边界条件取为速度入口,出口边界条件取为压力出口;计算模型采用标准模型。流场仿真的主要参数:入口速度取6m/s,出口压力0.2MPa,油液密度889kg/m3,动力粘度29mm2/s,阀口开度单位为mm,迭代次数100。迭代求解。当阀的开口为0.5mm时,液压滑阀内部流体的迹线图如图3所示。
在上述计算条件及设定仿真参数值的情况下,采用了Fluent软件对该阀体内部流场进行了分析研究,由此可以得该阀体内部流场的压力分布,进而可对阀芯壁面的压力分布情况和阀芯所受稳态轴向液动力的情况进行深入探索和研究。
图3滑阀内部流体迹线图
图4滑阀内部流体的速度矢量图
图5滑阀内部流体的湍流动能分布图
图6滑阀内部流体的压力分布图
3 仿真结果分析
3.1 滑阀内部流场状态分析
从图4和图5可以明显的看出,在出口节流式滑阀中,涡流出现在了该阀体阀腔出口节流处的左上角的部分区域。在相同的条件下,通过对速度矢量图和湍流动能分布图的比较可以看出,涡流出现的区域与图5湍流动能图中能量损失的区域在同一个区域,这就说明能量损失的分布区域和涡流的大小之间存在着密切的相应关系,从图中可以很直观的看出:涡流越大,流体在阀道内流动时的能量损失也就越大。在滑阀的实际使用过程中,流体在滑阀阀腔内的流动状况是极其复杂的,流体从入油口进入滑阀阀腔后,在拐角处或者流道直径突变的地方会出现明显的漩涡,也就是流体在阀体的流道内流动的时候,当碰到阀芯壁面的时候就会形成涡流,流体的能量由此损失。此外,较强的涡流和负压区一般会出现在滑阀节流口到出口处的区域内,这样可能导致气穴的出现。从图6所示可以得出,当流体从该阀体节流口流出的时候,内部流体的压力值会随之发生变化,压力梯度在该阀体节流口处的变化是最大的,压力值下降幅度比较明显,由以上分析可知,滑阀内的压力降主要集中在节流口处。②③
3.2 稳态液动力分析
稳态液动力是指控制阀口开口量一定时,由于流经各阀口和阀腔的液流截面积及方向的改变而引起液流速度的改变,导致液流动量变化而产生的液动力。④它可以分解为轴向分力和径向分力。由动量定理可以得到该滑阀阀腔内的流体对其阀芯的稳态液动力的轴向分量计算公式为:
F = - (QV2 cos2 - QV1 cos1)(8)
其中,F为稳态液动力;为液体密度;Q为流体流量;v1为流体入口速度;v2为流体出口速度;1为入口射流角;2为出口射流角。
通过分析阀芯端面受力情况,得出了稳态液动力是如何产生的,并进一步得出了此力的大小和方向,由此可以得知液动力产生的主要原因是由于液压阀阀口处流体的速度的变化导致阀芯端面压力分布的变化,从而在阀体的轴向方向产生了一个附加的稳态液动力。随着阀芯开口量的变大,该阀阀体内部的压力和阀芯壁面受到的压力差值都在不断减小,也就是说文中所研究的该滑阀阀芯所受到的稳态液动力是在逐渐变小的。根据稳态液动力的变化趋势可以得知,当该滑阀的阀芯开口量不变的时候,流量越大,该滑阀阀芯所受到的稳态液动力也就越大;当流量为恒定值的时候,该滑阀的阀芯开口量越大,阀芯所受的稳态液动力就会不断减小,当开口到达一定程度后,阀芯所受的稳态液动力基本趋于稳定,流量对其影响减弱。通过仿真可知,当流量一定时,在开口量为0.5~1.5 mm之间时稳态液动力的计算值和仿真值最为接近,即此时误差相对较小。图7为不同流量和开口量时稳态液动力的计算值和仿真值对比图,图7中显示了在不同流量和开口量时阀芯所受到的稳态液动力的理论值和仿真值。其中负值表示该力的方向与该出口节流式滑阀阀口关闭的方向一致。
图7不同流量和开口量时稳态液动力的计算值和仿真值对比图
4 结论
通过对电磁换向阀中的液压滑阀进行可视化研究,认识到了阀体内部流体的流动状态及漩涡产生的区域,对阀芯壁面压力分布的研究,有助于得到阀芯的受力原因。因为流体在滑阀流道内流动的不对称性,导致阀杆上存在着径向不平衡力。随着该滑阀阀芯开口度逐渐增大,阀腔内部的压力和阀芯壁面受到的压力都在逐渐变小,其两者的差值也在逐渐变小,即阀芯所受的稳态液动力在逐渐变小。本文对电磁换向阀中滑阀内部流体状态及受到的稳态液动力进行了可视化分析,所得的结论为阀的设计和结构性能优化提供了参考依据。
注释
①江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].清华大学出版社.
②赵蕾,权龙.阀芯运动过程液压滑阀内部流场的CFD计算[D].太原理工大学硕士学位论文,2008.6.
③袁冰,于兰英,柯坚等.液压滑阀阀芯旋转现象的CFD解析[J].机床与液压,2006(3):131-134.
④汤志勇,曹秉刚.液压控制阀稳态液动力补偿方法的探讨:阀套运动法[J].机床与液压,1995(2):91- 95.
中图分类号:TH13文献标识码:A
0 引言
液压滑阀是液压传动与控制技术中非常重要的基础元件,其作用是控制流体的流动方向及流量大小。本文利用CFD软件Fluent对液压滑阀内部流场进行了分析研究。在液压滑阀节流口处由于液流动量(流速大小和方向)发生变化,将有稳态液动力作用在阀芯上,而液动力产生的能量损失会影响到阀芯的受力,通过对滑阀内部流场的可视化研究,可以了解到流体经过阀芯内部区域时所产生的压力分布,从压力分布上可以清楚的了解阀芯受力的原因。因此本文采用标准紊流模型模拟了内部流体的流动状态及漩涡的产生区域,并对其稳态液动力进行了分析,其结论为了解阀芯受力和阀内流道结构优化设计提供了理论依据。
1 数值模拟
流体流动所遵循的物理定律是建立流体运动基本方程组的依据,①描述阀体内部流场的控制方程主要包括流量连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型方程。其控制方程如下:
流量连续性方程div U = 0,即 +(1)
动量守恒方程
( + u + v + w)
=+ (u + v + w) + Fx(2)
( + u + v + w)
=+ (u + v + w) + Fy(3)
( + u + v + w)
=+ (u + v + w) + Fz(4)
模型采用标准k - 模型
标准k - 模型的湍动能k和耗散率方程为如下形式:
(5)
(6)
t = c (7)
其中,k为湍动能;为湍流耗散率;t 为湍流粘性系数。
在计算过程中,取C1 = 1.44,C2 = 1.92,C3 = 0.99,k = 1.0,g = 1.3。
2 可视化研究对象模型
为了尽可能使流道内流体的流动状态及漩涡所产生的区域接近真实性,液压滑阀的模型必须体现滑阀内流道的真实结构。通过分析流体在滑阀流道内的流动状态,建立了力学模型,从而建立起了描述力学模型的数学方程组,采用合理的假设和简化后,计算机能够更为快速和准确的计算,便于用目前的数学工具和方法解决问题。出口式节流阀滑阀的三维几何模型是建立在给定几何参数的条件下的,在建立滑阀三维模型的过程中尽量做到真实反映滑阀内部结构情况,为流体在滑阀流道内的流动状态的可靠模拟和计算奠定了基础。文中建立的滑阀几何模型是中心面对称结构,故依据对称性的要求,采用了滑阀三维几何模型流的一半进行仿真计算和结果分析,此结构的简化不但节省了计算机的内存,而且加快了计算机的计算时间。
图1出口式节流阀滑阀结构示意图
图2开口为0.5mm时的计算模型图
2.1 计算模型选取
图1为出口式节流阀滑阀结构示意图,图2为滑阀阀芯开口量为0.5mm时的计算模型图。
2.2 边界条件的设定和计算过程
在Gambit中将几何模型处理结束后,将其导入到求解器Fluent 中进行求解。在Fluent 中,为前处理的几何模型选择求解器、设置材料特性、设置边界条件和初始化等。这里计算条件为:流体为不可压缩、恒定的牛顿流体;流体与壁面接触的边界为静止无滑移壁面;进口边界条件取为速度入口,出口边界条件取为压力出口;计算模型采用标准模型。流场仿真的主要参数:入口速度取6m/s,出口压力0.2MPa,油液密度889kg/m3,动力粘度29mm2/s,阀口开度单位为mm,迭代次数100。迭代求解。当阀的开口为0.5mm时,液压滑阀内部流体的迹线图如图3所示。
在上述计算条件及设定仿真参数值的情况下,采用了Fluent软件对该阀体内部流场进行了分析研究,由此可以得该阀体内部流场的压力分布,进而可对阀芯壁面的压力分布情况和阀芯所受稳态轴向液动力的情况进行深入探索和研究。
图3滑阀内部流体迹线图
图4滑阀内部流体的速度矢量图
图5滑阀内部流体的湍流动能分布图
图6滑阀内部流体的压力分布图
3 仿真结果分析
3.1 滑阀内部流场状态分析
从图4和图5可以明显的看出,在出口节流式滑阀中,涡流出现在了该阀体阀腔出口节流处的左上角的部分区域。在相同的条件下,通过对速度矢量图和湍流动能分布图的比较可以看出,涡流出现的区域与图5湍流动能图中能量损失的区域在同一个区域,这就说明能量损失的分布区域和涡流的大小之间存在着密切的相应关系,从图中可以很直观的看出:涡流越大,流体在阀道内流动时的能量损失也就越大。在滑阀的实际使用过程中,流体在滑阀阀腔内的流动状况是极其复杂的,流体从入油口进入滑阀阀腔后,在拐角处或者流道直径突变的地方会出现明显的漩涡,也就是流体在阀体的流道内流动的时候,当碰到阀芯壁面的时候就会形成涡流,流体的能量由此损失。此外,较强的涡流和负压区一般会出现在滑阀节流口到出口处的区域内,这样可能导致气穴的出现。从图6所示可以得出,当流体从该阀体节流口流出的时候,内部流体的压力值会随之发生变化,压力梯度在该阀体节流口处的变化是最大的,压力值下降幅度比较明显,由以上分析可知,滑阀内的压力降主要集中在节流口处。②③
3.2 稳态液动力分析
稳态液动力是指控制阀口开口量一定时,由于流经各阀口和阀腔的液流截面积及方向的改变而引起液流速度的改变,导致液流动量变化而产生的液动力。④它可以分解为轴向分力和径向分力。由动量定理可以得到该滑阀阀腔内的流体对其阀芯的稳态液动力的轴向分量计算公式为:
F = - (QV2 cos2 - QV1 cos1)(8)
其中,F为稳态液动力;为液体密度;Q为流体流量;v1为流体入口速度;v2为流体出口速度;1为入口射流角;2为出口射流角。
通过分析阀芯端面受力情况,得出了稳态液动力是如何产生的,并进一步得出了此力的大小和方向,由此可以得知液动力产生的主要原因是由于液压阀阀口处流体的速度的变化导致阀芯端面压力分布的变化,从而在阀体的轴向方向产生了一个附加的稳态液动力。随着阀芯开口量的变大,该阀阀体内部的压力和阀芯壁面受到的压力差值都在不断减小,也就是说文中所研究的该滑阀阀芯所受到的稳态液动力是在逐渐变小的。根据稳态液动力的变化趋势可以得知,当该滑阀的阀芯开口量不变的时候,流量越大,该滑阀阀芯所受到的稳态液动力也就越大;当流量为恒定值的时候,该滑阀的阀芯开口量越大,阀芯所受的稳态液动力就会不断减小,当开口到达一定程度后,阀芯所受的稳态液动力基本趋于稳定,流量对其影响减弱。通过仿真可知,当流量一定时,在开口量为0.5~1.5 mm之间时稳态液动力的计算值和仿真值最为接近,即此时误差相对较小。图7为不同流量和开口量时稳态液动力的计算值和仿真值对比图,图7中显示了在不同流量和开口量时阀芯所受到的稳态液动力的理论值和仿真值。其中负值表示该力的方向与该出口节流式滑阀阀口关闭的方向一致。
图7不同流量和开口量时稳态液动力的计算值和仿真值对比图
4 结论
通过对电磁换向阀中的液压滑阀进行可视化研究,认识到了阀体内部流体的流动状态及漩涡产生的区域,对阀芯壁面压力分布的研究,有助于得到阀芯的受力原因。因为流体在滑阀流道内流动的不对称性,导致阀杆上存在着径向不平衡力。随着该滑阀阀芯开口度逐渐增大,阀腔内部的压力和阀芯壁面受到的压力都在逐渐变小,其两者的差值也在逐渐变小,即阀芯所受的稳态液动力在逐渐变小。本文对电磁换向阀中滑阀内部流体状态及受到的稳态液动力进行了可视化分析,所得的结论为阀的设计和结构性能优化提供了参考依据。
注释
①江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].清华大学出版社.
②赵蕾,权龙.阀芯运动过程液压滑阀内部流场的CFD计算[D].太原理工大学硕士学位论文,2008.6.
③袁冰,于兰英,柯坚等.液压滑阀阀芯旋转现象的CFD解析[J].机床与液压,2006(3):131-134.
④汤志勇,曹秉刚.液压控制阀稳态液动力补偿方法的探讨:阀套运动法[J].机床与液压,1995(2):91- 95.