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基于锥阀实体模型的内部流场可视化分析

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  液压阀是液压传动及控制系统的调节装置,用来对系统中流体的流动方向、压力和流量进行控制和调节。液压阀使用最为普遍的结构形式是液压滑阀和液压锥阀,其中液压锥阀具有密封性好、过流能力强、响应快、抗污染能力强等特点,获得广泛应用,特别是在近年来发展起来的插装阀、比例阀中,大都采用锥阀结构。锥阀在工作过程中,流体在其中的流动情况非常复杂,对锥阀的各种性能,如作用在阀芯上的液动力、能量损耗、通流能力、流体噪声等都会产生重大影响。

  近年来国内外学者应用数值计算和可视化方法对液压阀内部流场和流动特性做了大量的研究工作[1-7]。本文使用SolidWorks软件进行三维实体建模,并应用流体分析模块COSMOSFLOWORKS,对液压锥阀进行三维仿真和可视化分析。

  1 液压锥阀三维实体模型

  液压锥阀主要由阀体、阀套和阀芯等组成,所研究的锥阀实体模型使用SolidWorks软件进行三维建模,其全剖的构造示意图如图1所示。

  图1中,2A为锥阀的锥角,流体流入锥阀的进口后,首先通过节流口进入阀套上的6个通油孔,然后进入阀体和阀套形成的阀腔,最后流向锥阀的出口。

  流体在锥阀内的流动是面对称,而不是轴对称,因而是复杂的三维流动,仿真计算也应该是三维的。

  2 流体力学基本方程

  假设油液是牛顿流体,满足牛顿内摩擦定律,即

  (1)

  且为不可压缩流体。在此,不仅忽略作用在油液上的体积力,而且假定在液压阀内部的流动为稳态,则其流动过程服从质量守恒和动量守恒,可用流量连续性方程和Navier-Stokes方程(简称N-S方程)来描述其运动[8],其方程的表达式分别如下。

  流量连续性方程为

 (2)

  N-S方程为

 (3)

  式(3)中,ρ为流体密度;ux、uy、uz分别为流体速度沿x轴、y轴、z轴方向上的分量;p为流体单位密度的压力;v为流体的运动粘度;¨2为拉普拉斯算子,可表示为

  (4)

  3 网格划分和计算条件

  计算网格使用SolidWorks软件中的流体分析模块COSMOSFLOWORKS来生成。将初始化网格设为5级(中等偏高)时,该分析模块将锥阀实体区域划分为7 321个六面体网格,将流体流动区域划分为7787个六面体网格,如图2所示。

  在仿真过程中,流体选用抗磨液压液L-HM32,其密度ρ为870 kg/m3,动力粘度L为0.030 (N·s)/m2,并设流体为不可压缩。

  流体入口截面上的流速由流量决定,出口截面上的绝对压力设为0.2 MPa,计算时取雷诺数Re为100。

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标签: 锥阀 流场
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