基于Fluent的液压伺服阀液动力研究

　　液动力是影响液压阀性能的关键因素之一，流体流经阀口时，由于流动方向和流速的变化引起液体动量的变化，从而产生液动力。液动力分为瞬态液动力和稳态液动力，作者是在定常流动下研究阀内的稳态液动力。稳态液动力是阀芯移动完毕、阀口开度固定的稳定流动下，液流流过阀口时因动量改变而作用在阀芯的力^[1]。

　　电液伺服阀的功率级主阀基本为滑阀，若滑阀的稳态液动力过大，会加大操纵滑阀所需的力，尤其在高压大流量的情况下; 另外，通过阀芯受力分析发现，液动力的方向始终使阀口趋于关闭，这会严重影响伺服阀的性能。作者以MOOG D633 直动式伺服阀为研究对象，利用CFD 软件 Fluent 分析其滑阀内压力分布情况，分析稳态液动力大小，为阀的使用和性能优化提供依据。

　　1 建模与网格划分

　　图1 是伺服阀功率级滑阀结构简图。使用Solid-Works 软件对滑阀内部流体做三维实体建模，根据其对称性可取流动区域的一半作为仿真区域。模型保存为 “parasolid”格式，并导入到软件Gambit 划分网格，网格类型是 “Hybrid”，区间大小是0. 001。图2是滑阀内流场的模型网格图^[2]。

　　边界条件设定为速度入口和压力出口，出口压力是0. 1 MPa，流体为不可压缩牛顿流体，流动状态为紊流，采用标准k-ε 湍流模型。流体是液压油，密度是870 kg/m3，动力黏度是0. 04 kg/m·s。

　　2 仿真及分析

　　仿真分为两阶段: 第一阶段是流量不变时，不同开口度下稳态液动力大小; 第二阶段是开口度不变，不同流量下稳态液动力的变化。D633 直动式伺服阀的额定流量有5、10、20、40、60 L/min，第一阶段选取流量为40 L/min，第二阶段则选取开口度为1mm。

　　在Gambit 软件中画好网格后，以“msh”格式导出，启动Fluent 软件的3D 求解器，并将msh 文件导入，检查网格体积没有负值，设置求解器、材料属性、操作环境、边界条件、计算模型以及监控等，然后开始仿真计算^[2]。

　　仿真结束，观察残差收敛曲线，曲线平滑收敛，说明模型仿真结果是可信的。图3是开口度为1 mm的残差收敛曲线。

　　当阀的开口度由0. 5 mm 变化到3 mm 时，阀内流场压力分布也不断变化。液压油流经阀体时，流体对阀体内壁的压力是总压力，此压力包括了液动力和静压力，静压力是液体静止时对阀内壁的压力，因此稳态液动力即是阀的总压力与静压力的差值。稳态液动力包括轴向和径向液动力，阀开口处设计有环形槽，可以认为径向液动力是对称而互相抵消，因此阀芯受到的主要是轴向稳态液动力。稳态液动力计算公式为: