基于CFD的液压锥阀结构特性分析

　　1　前言

　　液压锥阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件。工作过程中,因节流口的存在和流道的复杂性,流体在锥阀内部的流动非常复杂,反映锥阀宏观流动特性的流量系数、液动力等参数,在很多情况下仍依赖试验的方法获得。对设计者而言,在液压装置的设计阶段如果能从总体上了解锥阀内部流动情况,以及不同阀的形状、尺寸对流量系数及液动力的影响程度,将有利于阀的优化设计。

　　一些学者对锥阀的阀口节流特性进行了研究。Kato等利用有限差分法对锥阀的节流系数进行了2D模型分析,并与试验结果进行了比较[1];Toita等利用有限体积法对各种不同形状锥阀的对称模型进行计算分析,对改进锥阀形状提出了一些有用的建议[2];Oshima等通过试验研究了锥阀阀芯与阀座夹角对锥阀流量特性的影响[2]。上述的研究方法或采用2D模型或只研究了部分结构对阀性能的影响,分析不全面。

　　利用计算流体动力学(CFD)的方法,对外流式锥阀进行流体解析,得出阀芯锥角A、圆周直径B值的变化对流量系数与液动力的准确影响,为锥阀的结构设计和流道的优化设计提供一定的参考价值。

　　2　结构与建模

　　2. 1　锥阀结构

　　图1为解析用锥阀的主要结构,由阀芯与阀座构成,表1为其主要结构尺寸,其中直径d1=14mm,d2=6mm,d3=20mm,d4=10mm,C=3mm,A为阀芯锥角,B为阀芯圆周直径,h为阀口开度,图中箭头方向为流体的流动方向;由于锥阀阀腔结构对称,内部流动对称,因此可仅取流动区域的一半作为计算对象。

　　2. 2　几何模型与网格划分

　　应用实验规划方法,先固定参数B值为16mm,建立阀芯锥角A从60°以10°为梯度变化到120°,不同开口下的模型,并进行CFD解析,分析比较不同A值锥阀的流量系数与液动力值,得出流量系数较大,液动力值较小时的A值;再固定此锥角A值建立阀芯圆周直径B值从15. 5mm以0. 5mm为梯度变化到18mm,不同开口下的模型,并进行CFD解析,分析比较不同B值下锥阀的流量系数与液动力值,得出流量系数较大,液动力值较小时的B值。

　　将图1中的流体区域作为求解区域,利用三维设计分析软件I-deas按上述思想对锥阀进行建模;并采用四面体网格进行划分,因锥阀在阀口处的节流作用,使阀口处的压力和速度梯度较大,对阀口处网格进行了局部细化,为达到统一的解析精度,各模型的四面体单元基本为80, 000左右,节点数为18, 000左右。图2为其中当B值为16mm时,A取90°,开口为1. 5mm时网格划分。将网格导入流体分析软件Star-CD中对锥阀进行CFD解析。

　　2. 3　物理模型

　　对锥阀进行解析计算时,对上述模型作如下假设: