基于Fluent的不同阀芯与阀体组合的数值模拟研究

　　0　引言

　　阀类元件是液压系统中重要的控制元件。各种控制阀均是在油路中设置障碍,阻碍或节制流体的流动,以达到所要求的控制效果。阀内流体的流动情况对阀的冲击及噪声有很大的影响,因此研究阀内流体的流动情况有重大的意义。王东等人对水压节流阀的新型设计及其计算进行了研究[1],张晓东等应用Fluent对锥形节流阀的流场进行了数值模拟[2],杨国来等对不同开度和压差下的流场进行了仿真分析[3]。随着CAD/CAE技术的发展,尤其是计算流体动力学技术的发展,对节流阀进行流场数值模拟成了目前对节流阀进行设计及优化的重要手段。本文对传统的阀体与阀芯结构提出了几种改进方案,应用Fluent对其内部流场及压力场进行分析,并与传统结构进行比较。

　　1　模型的建立及求解方法

　　1.1　物理模型的建立

　　根据实际情况,首先在Pro/E中建立普通节流阀的结构模型,然后建立改进型的阀芯与阀座结构模型,如图1所示[4]。本次模拟共构建了区别于普通结构(见图1(a))的9种模拟模型,图1(b)是将阀座沉割槽及其阀芯改为锥面形式,锥角均为90^o;图1(c)是将阀座沉割槽及其阀芯改为圆弧面形式;图1(d)为将阀座沉割槽改为双端锥面,在靠近进油口其锥角为90^o,另外一个锥面的锥角为130o,阀芯为单锥面且锥角为130^o。其余6种模型是分别只改阀芯或阀座结构得到的,其单独结构形式和图1(b)～图1(d)的阀芯与阀座相同。

　　1.2　计算方法

　　由于模型具有面对称性,采用1/2模型进行计算。在Gambit中进行网格划分,在入口与出口处采用较粗的网格,阀口节流处的速度和压力梯度较大,对此处网格进行局部细化处理。

　　所有的阀都在20%的开度下模拟内部流场与压力梯度的情况,在Fluent软件中采用求解压力耦合方程组的半隐式SIMPLE方法求解,紊流模型采用标准k-E双方程。流体密度为863 kg/m³,动力粘度为0.05 Pa·s[5,6]。入口速度为5m/s,入口湍流参数设定为入口湍动能k和湍流流动耗散率E。出口设定压力出口,流体出口压力设定为0MPa。设置对称边界条件,对称法向速度为零,对称的所有变量的法向梯度为零[7]。

　　2　结果分析与讨论

　　2.1　速度矢量图及其分析

　　图2是不同阀芯及阀座结构中流体的速度矢量图。从图2中可以看出不同阀座与阀芯的节流阀中的流动情况不尽相同。图2(a)中内部流体流动的速度最高可达到11 m/s,而且整个内部湍动最大,分布极不均匀;图2(b)只改变阀座结构,沉割槽处的锥角为90o,整个速度场及湍动分布没有根本的改变;图2(c)只改变阀芯结构,阀芯为一个锥面,锥角为90o,得到的速度场比前面两种结构有所改观,内部湍动分布比前两种要均匀。本次模拟对阀芯和阀座单独改进结构做了很多种方案进行了分析,得出阀座结构比阀芯结构对阀内流体流动影响要小。