基于CFD的电液控制阀流场的数值模拟

　　电液控制阀是液压支架电液控制系统的关键部件,采用整体插装式结构,阀结构较为复杂,常常会遇到突扩、突缩、弯曲流道等。流体流经这些复杂流道处会产生漩涡、回流、脱壁和重新附壁等流动现象。所以对实际应用中的阀内部流道流场进行数值模拟,进而定量分析阀内部流场的能量机理状况,确定影响阀的主要因素,对液压阀流道的优化设计具有重要的实际意义[1-2]。

　　1　电液控制阀的基本结构与工作原理

　　基本结构如图1所示:阀芯由阀块、阀芯、顶杆套、顶杆、进液套组成。其工作原理是通过改变顶杆与进液套之间的相对位置来实现对其他执行元件的动作控制,当先导阀提供高压油达到一定的压力值时,阀芯和顶杆在压力的作用下产生与进液套的相对运动,直到阀芯进液套的进液口打开,液体流经顶杆上的进液孔,通过阀的工作口进入液压支架液压缸。

　　2　几何建模与网格划分

　　运用三维建模软件Proe对电液控制阀流道进行了模型如图2所示,将模型导入计算流体动力学软件Fluent的前处理模块Gambit划分出网格,如图3所示,在此过程中网格质量的好坏直接关系到模拟结果的正确与否,由于该阀流道比较复杂,所以采用非结构网格中的四面体网格对流道模型进行划分,利用Fluent软件中的网格自适应功能对模型网格做了适当的处理,以提高网格质量,保证计算精度[3-4]。然后对阀流道模型进行改进如图4所示,再次对其改进后的流道进行网格划分和仿真分析。

　　3　边界条件的设定

　　为了获得主控阀工作状态下的流场特性。选用入口压力和出口压力为边界条件。其中入口压力设定为p1=31. 5MPa,出口压力p2=24. 5MPa。

　　1)　选取不可压缩液态水作为流动介质进行计算,其密度为998.2 kg/m³,动力粘度为0.001 Pa·s。且假定水为粘性牛顿流体,不考虑水重力的影响,计算中在阀道内部无热传导现象。

　　2)　水流在主阀内的流动状态主要是紊流,故采用k-ε紊流方程进行计算,标准k-ε模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到,但耗散率方程是通过物理推理得到的,分子粘性的影响可以忽略。因此,标准k-ε模型只适合湍流的流动过程模拟[5]。标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程为如下形式:

　　在上述方程中,ρ为流体密度, kg/m3;μ为分子粘度,Pa·s;xi、xj为坐标方向;t为时间, s;Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能, kg·m/s,Gk=表示流体速度沿i方向的分量;uj表示流体速度沿j方向的分量;Gb是用于浮力影响引起的湍动能, kg·m/s,对于不可压缩流体,Gb=0YM为可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响,kg·m/s,对于不可压缩流体,YM=0;μi为湍流粘性系数为湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数。