基于ANSYS的液压锥阀流场分析及结构优化

　　液压锥阀是液压阀广泛采用的一种形式，与液压滑阀相比，其具有密封性好、过流能力强、响应快、抗污染能力强的优点。随着液压技术向着高速、高压、大功率、小型化方向发展，在液压控制阀中的节流部位由于前后压力不同，当某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，很容易发生气穴现象。气穴的产生会使阀的特性变坏，使液压系统产生振动、噪声，使金属表面气蚀、损坏零件，缩短液压元件和管道的寿命; 造成流量和压力脉动，使系统刚性降低和油液变质等。锥阀阀口的流速、前后压差、形状及几何参数等是阀口气穴产生的影响因素。因此文中针对有效降低液压锥阀阀口气穴的问题，对锥阀进行了结构优化，采用二级节流、拐角圆弧过渡，并用ANSYS 软件对常规和优化锥阀分别进行了流场分析。

　　1 模型的建立

　　1. 1 几何模型

　　由于流体在锥阀中的流动实际上是轴对称流动，因此采用二维流动区域一半的几何模型作为研究对象。建立了常规锥阀几何模型和采用二级节流、拐角圆弧过渡的优化模型，如图1、2 所示。

　　1. 2 数学模型

　　( 1) 基本方程

　　由于将锥阀简化为二维轴对称模型，且流体为不可压缩流体，其质量方程为:

　　动量方程为:

式中: u_i为平均速度; u'_i为i 方向的脉动速度分量;u'_j为j 方向的脉动速度分量; ρ 为流体密度; p 为平均压力; γ 为运动黏度。

　　( 2) 气穴模型

　　气相体积分数方程:

式中: α_a为气相体积分数; ρ_a为气相密度; m·a_l为气相与液相之间的质量转换。其中:

式中: ρ_l为液相密度; ρ 为平均密度; ( 1 - αa) 为液相体积分数; p_v为气化压力; R 为气泡半径

n 为单位体积的气泡数。

　　2 理论假设及前处理

　　2. 1 理论假设

　　( 1) 选取水作为流动介质，其密度为998. 2kg / m3，动力黏度为0. 001 Pa·s。

　　( 2) 设定模型的边界条件: 入口流速为6 m/s，入口流量为40 L/min，出口压力为大气压力0. 1 MPa。

　　( 3) 雷诺数，大于临界雷诺数，水流在锥阀内的流动状态是紊流。

　　( 4) 取锥阀阀口的开度: Δx = 1 mm; Δx1=1 mm; Δx2= 1. 5 mm。

　　2. 2 前处理

　　定义分析类型为FLOTRAN CFD，单元类型为FLUID141; 在ANSYS 中直接建立几何模型; 利用Mesh Tool 工具条定义单元网格密度。定义边界条件:将来流速度6 m/s 定义在入口边界线v_x方向上，出口压力0. 1 MPa 定义在出口边界线v_x方向上，其他边界线上x、y 两方向的速度定义为0。激活启用并定义k-ε 湍流模型; 设置迭代步数300 步。