纯水锥阀式先导阀阀口流场的CFD分析及结构优化

　　水压传动技术不仅具有液压技术的共性优点,又具有无污染,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,符合机械工业进行绿色制造的可持续性发展的方向[3]。与液压油相比,水的黏度低、密度大、压缩性小、声速高,在同样的流道结构和工况条件下,流体在其中将表现出不同的过流特性,并对各种性能包括能量利用率、流体噪声、作用于阀芯上的液动力都会产生不同影响,因而需要通过理论与实验研究来掌握水压元件中各类流道的特性。

　　从结构型式看,锥阀具有泄漏小、动作可靠、结构简单,在水压阀中得到广泛应用,锥阀式先导阀结构如图1所示。而作为锥阀式先导阀在工作过程中,起到调节和平衡回路压力的作用,阀口经常地开启和关闭,阀内的流场压力波动变化较快,压力损失较大,而且容易产生气穴,对阀造成气蚀的损坏。因而本文针对水介质对锥阀流场进行数值模拟及可视化分析,进而定性分析纯水在锥阀中的压力和速度特性,从而确定影响水压锥阀性能的主要因素,为开发和设计高效、低能耗、低噪声、低腐蚀的水压锥阀奠定了理论基础,极大地缩短水压锥阀研发周期,降低研发成本,具有重要的工程实际意义[1]。

　　1 CFD模型及假设

　　锥阀按使用情况分外流式和内流式两种,外流式的水流流动方向为从下阀腔流入从上阀腔流出;而内流式的流动方向则与此相反,即从上阀腔流入从下阀腔流出。本文以图1、图2所示的先导外流式水压溢流阀为例进行研究。

　　1. 1 CFD模型

　　由于此流体结构为非对称结构,因此用Au-todesk-Inventor建立锥阀内实际的三维流体,阀内的流体近似为不可压缩流体,在GAMBIE中划分网格图如图3所示。

　　由于对锥阀进行的是静态分析,因而在数值计算过程中,对上述模型作了如下的解析假定[5]:

　　(1)选取纯水作为流动介质进行计算,其密度为998. 2 kg /m3,动力黏度为0. 001 Pa#s。

　　(2)此模型中的雷诺数Re=vD /v= 72 000,远大于临界雷诺数Recri,因而水流在锥阀内的流动状态主要是紊流,故采用湍流方程进行计算。

　　(3)数值计算方法采用有限体积法中常用的SIMPLE( Sem-i ImplicitMethod forPressure-LinkedE-quations)求解离散方程组。

　　(4)流动模型设有两个边界条件,即入口速度和出口压力。入口速度设为2 m/s,出口压力为大2MPa。

　　2 CFD分析

　　通过对锥阀模型进行CFD数值解析,可获得阀内流场的在xoz面上的速度、压力及湍能分布云图。常规模型的流场速分布、压力分布和湍能分布图如图4(a)、(b)、(c)所示。

　　对图中现象进行分析可知: (1)水流通过锥阀阀口时,水流流速迅速增大,压力减小,紊流湍动能增大。(2)模型1上阀腔内的流动主要有两部分,一部分是从流入到流出的主流;另一部分是阀座拐角处出现的旋涡流。旋涡的产生增大了能量的局部损耗,因而有涡流的地方出现低压区。在这个区域很容易产生气穴,对阀造成气蚀的破坏,引起振动和噪声。同时系统效率降低,动态特性恶化。如何消除能量损失,减小气蚀破坏,这就需要对阀道进行优化和改进。