基于CFD的水基超磁致高速开关阀流场分析

　　1 前言

　　水液压传动技术不仅具有液压技术的共性优点，而且具有无污染、清洁环保、安全、节省能源、经济性好、动态性能好、系统效率高等突出的特点，符合机械工业发展绿色制造的可持续发展方向。然而由于水的特性，水液压传动技术的研发面临着腐蚀、气蚀、泄漏、等诸多难题。

　　水基超磁致高速开关阀以纯水或含添加剂的水为工作介质，具有较高的响应速度，可以简单地利用计算机来进行连续控制。由于水的质量特性以及高速开关阀工作时阀芯快速来回滑动，使得水基超磁致高速开关阀更容易引起腐蚀、气蚀、振动和噪声等问题。本文基于 CFD 技术，针对一种水基超磁致高速开关阀的流道进行了三维建模，网格划分，应用流场计算软件对流场进行仿真分析，获得阀体内部流体速度和压力等情况，为水基超磁致高速开关阀的流道和整体设计提供了理论依据。

　　2 水基超磁致高速开关阀阀体结构及工作原理

　　图1 为水基超磁致高速开关阀阀体结构图。当磁致伸缩驱动器获得数字控制信号的高电平后，推动推杆并带动杠杆放大机构动作，杠杆放大机构将磁致伸缩驱动器所输出的位移进行放大，然后传递给左顶杆，左顶杆推动阀芯整体向右移动，直至左锥阀阀芯与阀套形成密封，此时A 口与 P 口断开，而与T 口连通; 当磁致伸缩驱动器获得数字控制信号的低电平后，磁致伸缩驱动器断电，阀芯在复位弹簧的作用力下整体左移，直至右锥阀阀芯与阀套实现线密封，此时A口与T口断开，而与P 口连通。

　　3 CFD 模型及解析假定

　　3. 1 CFD 分析模型

　　依据水基超磁致高速开关阀阀体结构图建立的流场CFD 模型如图2 所示。

　　3. 2 解析假定

　　1) 基本方程

　　由于将水基超磁致高速开关阀内部流场简化为维轴对称的数学模型，且流体为不可压缩流体，所以其质量方程可表示为:

　　其中，ui为平均流速; u'j为 j 方向的脉动速度分量; u'i为 i 方向上的脉动速度分量; p 为平均压力; ρ 为流体密度; γ 为运动黏度。

　　2) 气穴模型

　　气穴方程:

　　其中，ρa为气相密度，为0. 55 kg/m³; αa为气相体积分数;mal为液相与气相之间的质量转换;

　　式中: ρl为液相密度; 为998 kg/m³; ρ为混合相平均密度; ( 1 - αa) 为液相的体积分数; pv为气化压力，pv=2367. 8 Pa; n 为单位体积的气泡数，设为1. 0 × 10⁵; R为气相中气泡平均半径，取。