节流阀小开度下流场仿真和最小稳定流量研究

　　节流阀是液压系统常用阀,用来控制液压缸或马达运动速度,节流阀性能对液压系统调速性能有很大影响。特别在小开度下,节流阀不易准确调节,调节线性不好,影响液压系统的性能。节流阀最小稳定流量是节流阀能正常工作的最小流量,现在对其研究很少,普遍认为是节流口小开度下,孔口通流面积很小,油液中的杂质或极化分子等堵塞节流口所致,没有从理论上分析小开度下流量不稳定的原因。作者用FLUENT软件对三角槽节流阀小开度下的流场进行建模仿真,得出小开度下的流场特征,并分析流场特征和最小稳定流量之间的联系,以便进一步提高节流阀等液压元件性能。

　　用FLUENT软件仿真可以排除油液中杂质对小开度下流场的影响,直观地观察流场内部流动情况,为液压元件的设计提供有用的帮助。

　　1　数学模型

　　1·1　控制方程

　　流体不可压缩,其质量守恒方程:

　　式中:v为速度矢量; u, v, w为v在x, y, z轴上的分量;μ为动力黏度。

　　1·2　几何模型和网格图

　　图1为三角槽节流阀口的结构简图,由于节流口的对称分布,为研究方便,这里只研究一个节流口。图2所示为CFD几何模型,模型尺寸为进出口腔长15mm,宽12mm,阀芯三角槽口角度为8°,底边长为5mm,图中x为阀口开度,分别取2mm, 0·04mm。图3所示为网格图。

　　1·3　计算条件

　　(1)当节流阀开度很小时,流速很慢,雷诺数Re=vD /υ<2 300,流场状态为层流,采用Laminar状态方程进行计算。

　　(2)液压油的密度为863kg/m3,动力黏度为0·05kg/(s·m),液压油假设为不可压缩。

　　1·4　边界条件

　　入口边界条件为压力边界入口,进口总压分别取0·1MPa, 0·2MPa, 0·3MPa, 0·4MPa, 0·5MPa;出口为压力出口边界,出口压力为0,整个流场工作压力为标准大气压(约为0·1MPa,即101 325Pa)。

　　2　仿真结果与分析

　　2·1　压力图分析

　　由图4压力图可以看出,阀进口腔各处压力基本等于进口压力,出口腔各处压力基本等于出口压力,原因是小开度下,阀腔内部多数区域流速很小,类似“停滞”,使节流口两侧流场具有“静压传递”特征。当压差过大,节流口出现负压,负压会导致气穴现象,破坏流动连续性,所以节流阀压差不宜过大。

　　2·2　速度图分析

　　2·2·1　小流量对流量稳定的影响

　　由图5和表1可见,不产生负压时,流场出口边界流速很小,如在x=2mm,压差0·2MPa时,出口边界最大速度为0·094m/s。速度很小的原因是小开度下节流孔通流面积很小,阻滞了流体流动,压差能转化为涡旋。流速很小,雷诺数小于2300,流场为层流状态。