基于CFD方法的某液压系统耦合仿真

    引　言

    限压阀是液压系统中不可或缺的压力控制元件。当阀节流口处压力降低到一定程度时,会引起气穴、气蚀现象,并伴有流体噪声和振动,通过分析阀出入口的压差、阀内流场特性,达到降低噪声和能耗的目的,是液压技术的重要研究方向之一。液压阀内的压差传统上是由理论计算或者经验公式获得。现代流体动力学的发展为计算液压阀复杂流道内的压差提供了解决方法,可为流道结构的优化设计提供理论基础,缩短设计时间,减少试验费用。文献[1-2]用数字计算和试验方法对液压锥阀和滑阀的内部流动进行了分析。文献[3-4]应用CFD数字建模和试验方法对基于文献[5]气穴原理的液压阀内气穴现象进行了详细研究。

    基于液压元件内的气穴现象与动态液压系统相互影响、相互关联的考虑出发,对阀内流场和气穴进行CFD仿真和可视化分析,并将分析结果输入用一维特征法研究的液压系统中,用以分析对系统造成的影响。同时,液压系统的反应也会进一步影响阀内流场以及气穴。通过这种原理和方法,研究了流场特性、气穴和整个系统之间的动态影响。这不仅对单个元件流场分析提供了实际指导意义,还为液压系统的在线耦合提供了可行的理论基础。

    1　离线耦合仿真

    在对整个系统进行计算之前,先进行CFD数字计算和整个液压系统仿真的离线耦合。此种离线耦合情况下的CFD数字计算要花费大量计算时间和存储空间。假设条件为“外界”元件或系统和被研究元件的内部流动过程之间没有相互作用,互不干涉。图1为所研究的离线耦合液压系统。此系统由液压泵、液压管路、限压阀、测量喷嘴以及油箱等组成。

    在图1中,液压泵产生动态正弦流量,此动态流量的常值部分为10 l/min,交变部分频率为100 Hz,幅值为1 l/min。动态正弦流量作为边界条件之一,测量喷嘴进行流量仿真。首先研究测量喷嘴的内部流动,然后将测量喷嘴入口和出口的压差计算结果作为边界条件并结合系统其他部分的仿真,用一维特征法对离线耦合液压系统完成计算。离线耦合的前提条件是:假定流体不可压缩,流动为动态层流;选定HLP 32矿物油作为压力媒介;不考虑气穴现象。

    图2给出了测量喷嘴出口流速不同的对比计算结果。图中显示了分别使用商业软件FLUENT和MATLAB/SIMULINK的不同计算结果。FLUENT计算的平均出口流量比MATLAB/SIMULINK的对应计算值大8.58%,而且在这些仿真计算结果之间还有80°的相位差。图3描述了测量喷嘴周围的静态压力分布。可以发现,在喷嘴截面的中间位置,静态压力值相对较低。