基于动网格的液压阀阀芯启闭中的液动力分析

　　液压阀在工作中，通过它的流体的动量要发生变化，因而会有液动力作用到阀芯上。液动力是影响液压阀性能的关键因素之一，其不仅会影响阀的操作力，使输入信号与阀芯位移关系变得不确定，而且还可能造成阀的自激振动，进而影响到整个液压系统的稳定性与可靠性。传统的研究方法主要借助于理论推导与实验研究^[1～3]。随着计算流体动力学的发展和计算机性能的提高，采用数值方法模拟液压阀的流场有了相当大的进展，成为当前液压阀性能研究的重要方向之一。其中对液动力的研究大多是直接给定阀的开口度或阀芯的运动速度^[4～9]，而实际工作中阀芯的启闭过程是一个变速运动的过程。本文在总结前人研究成果的基础上，采用动网格技术对液压球阀阀芯启闭过程中的液动力进行了研究。

　　1　几何模型与网格划分

　　1.1　几何模型

　　由于液压球阀的阀体和阀芯均以阀中心线对称布置，故可以假设流体只有轴向和径向流动，无切向流动，考虑到流体在球阀阀体内流动的对称性，可以选取通过轴线的一个流体薄片进行分析。因此可以把轴对称的球阀简化为二维结构，如图1所示。

　　1.2　网格划分

　　网格的划分质量不仅影响计算的精度，而且与计算效率相关。本文采用非结构网格对假设模型进行划分，为更好地捕捉液压阀的内部流场，对局部网格进行了细化，如图2所示。

　　2　仿真计算条件

　　2.1　基本控制方程

　　设油液为不可压缩流体，并忽略质量力的影响，描述其运动的基本控制方程为连续性方程、雷诺方程和k-ε两方程模型。连续性方程：

　　雷诺方程：

式中：μ_eff=μ+μ_t;μ=ρC_μk²/ε。

　　k-ε两方程模型：

式中：ρ是液体密度;μ是动力粘度;μ_t是湍动粘度;u、v是速度矢量在x、y方向上的分量;p是作用在流体微元体上的压力;F_x、F_y是作用在微元体上的体力;k是湍动能;σ_k是与k对应的Prandtl数;ε是湍流耗散率;σ_ε是与ε对应的Prandtl数;模型经验常数取值分别为：C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.09，σ_k=1.0，σ_ε=1.3。

　　2.2　边界条件

　　出入口均设为开边界条件，并分别设定其速度与压力。球阀设为滑移边界条件，其运动速度由阀芯所受的流体力、弹簧力及自身重力确定。阀套设为无滑移边界条件，限定其上面的质点速度各分量均为0，即：u=v=w =0，其压力满足：