基于CFD的液压集成块典型流道液阻仿真研究

　　0　引言

　　在建设节约型社会重大决策的驱动下,开发液压节能技术,提高液压产品和装备的能量利用率,是液压技术领域一项重要而紧迫的研究课题。有资料显示,在液压系统的无功能耗中,由作为液压能量传输载体的液流内阻所造成的能耗(压力损失)占有突出的比重[1-4]。其中,除去液压能沿管路传输所必然形成的部分能耗(简称合理能耗)外,由于液阻和管网结构设计不合理所导致的能耗(简称不合理能耗)仍具有较大比例。液压集成块是液压系统中各类阀类元件的承装载体,组成系统的各类阀件通过块体中的流道实现连通,集成块流道液阻是评定其特性的主要指标,不合理的流道形式及尺寸会使其内阻远远大于各类阀件本身的液阻损失,从而降低液压系统的能量利用率。流道在集成块内的布置不仅受块体与阀件外部连通关系和液压阀布局定位方案等结构特征的约束,而且流道的分布规律也决定着流体能量损失的大小。液压集成块体内的流道由于连通的需要和加工条件的限制,在几何结构上有鲜明的特点:①每一条流道都由两个以上较短的孔道组成;②孔道之间一般为直角转弯;③孔道与工艺孔容腔相交处形成分支管路。根据这些特点,液压集成块的流道可分为短直管、直角转弯管路、突扩(缩)管路和交叉管路。由于直角转弯管路的几种连接形式在块体设计中最为常见,因此本文从直角转弯管路的几种最常见的典型流道出发来探讨流道结构形式对液阻大小的影响规律。近几年计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)方法和计算机技术的快速发展,使采用数值模拟的方法来仿真集成块块体流道内液流的三维复杂流动成为了可能[5]。

　　1　液压集成块典型流道数值模拟

　　图1所示为液压集成块块体内几种典型的流道。图1a所示为由一对直角转弯组成的Z字形管路,图1b所示为采用铸造技术铸造的直角转弯管路,图1c、图1d所示为集成块体内最常用的直角转弯管路。

　　1.1　数学模型的建立

　　液压集成块内部孔道中的流体为液压油,其中典型流道内的液流多数情况下处于湍流状态。流场由各种不同尺度的湍流涡叠合而成,这些具有旋转结构的涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的,由于湍流的复杂性,很难通过实验来掌握流道内部的湍流状态,为此本文应用CFD理论和方法来对块体内流道进行数值仿真。

　　液压集成块内流体的运动可以认为是不可压、非定常的三维瞬态流动,在直角坐标形式的绝对参照系下,可用瞬时的Navier-Stokes方程来描述湍流流动。但是,由于湍流具有微尺度上的高度脉动性,加之Navier-Stokes方程的非线性,以及液流管道边界条件的多样性,使得方程不存在解析解,甚至不能用直接数值模拟(directnumerical simulation,DNS)方法来描述三维时间相关的全部流动细节,目前只能借助时间平均法或者空间过滤法来简化湍流流动。考虑到液压集成块流道诸多因素的影响,对图1所示的4种典型流道借助时间平均法采用Reynolds应力方程模型(reynolds stress equation model,RSM)来构造附加的湍流模型,然后联立求解时均化的方程组———式(1)~式(5)。