某系统液压集成块流道液流特性分析

　　随着工业技术的全面进步,提高液压系统的能量利用率和研究节能技术,成为液压技术发展的方向之一。液压系统的能量利用率较低,无功损耗比较大,其中由于结构设计不合理造成的能量损失仍占有较大的比重。

　　液压集成块是通过钻、扩、铰、镗、攻等加工方法在块体内部预制复杂的流道,流道与液压阀件组成液压系统功能回路,从而减少了管路、体积、泄漏和降低能量损失。如果液压集成块内部流道结构设计、布置不合理虽可以完成系统的功能要求但能量损耗较大,降低了能量利用率。液阻是评价液压集成块性能的关键指标。

　　为提高装备整体性能,合理科学分配系统中的动力源,作者主要分析在实际工况下,液压集成块内部流道产生压力损失的主要原因,从而为液压集成块的优化设计,各环节所需能量的合理分配和装备整体性能的提高提供依据。

　　1　模型的建立

　　由于液压集成块内部流道液流特性复杂,很难用实验的方法测得,所以作者采用计算流体动力学(Computational fluid dynamic, CFD)方法来仿真分析液压集成块内部流体的液流特征,将结果以直观的图形显示出来,便于分析液压集成块内部产生压力损失的主要原因。

　　1·1　数学模型

　　假设流体在液压集成块流道内部流动为不可压缩(ρ为常数)的定常流动,在三维直角坐标系下建立数学模型。流体在液压集成块流道内部的流动一般为紊流流动,流体微团做不规则的运动,加上液压集成块流道的结构复杂,使得它们之间产生激烈的相互作用,造成能量的大量损失。为此专门建立数学模型研究管道内部的紊流流动,但由于紊流的复杂性,人们对紊流流动的机理有待深入研究。

　　对于紊流流动,方程组一般不存在解析解,根据实验和物理性的研究,对方程组进行模型化,从而使方程组封闭求出数值解。在实际工程计算中,发展了各种紊流模型来模拟平均流特性中的紊流效果。作者采用基于Boussinesq假设的低雷诺数流动的RNGk-ε紊流模型。在RNG模型的方程中加了一个条件,考虑了湍流漩涡,为湍流Prandtl数提供了一个解析公式,有效地提高了计算精度。

　　连续性方程为

式中:ρ为流体密度, ux、uy、uz为x、y、z方向的瞬时速度。

　　对于不可压缩的紊流流动,单位质量流体微团的x方向的动量守恒Navier-Stokes方程为

式中:u、v、w为x、y、z方向的瞬时速度, p为瞬时压力。

　　y和z方向的N-S方程与式(2)的形式相同。

　　k方程为

式中:ui表示时均速度,μ表示流体的动力黏性系数,μi表示紊流黏性系数, i和j的取值范围为(1,2,3), Gk是平均速度梯度引起的紊流动能的产生项, Gb是由于浮力影响引起的紊流动能的产生项,Y表示可压紊流动能扩张的贡献, C1ε、C2ε、C3ε为经验常数, Sk、Sε为自定义源项,αk和αε分别是与紊流动能和耗散率对应的Prandtl数,在Fluent程序中推荐C1ε=1·42, C2ε=1·68, Cμ=0·084 5,αk=1·4,αε=1·3。由于液流为不可压缩流体,在紊流模型中Gb=YM=C3ε=Rε=0。