GPCM控制阀内流道流场仿真

　　引言

　　广义脉码调制(GPCM)控制阀是一种组合型式的阀[1～3],具有抗污染能力强、使用维护成本低等特点,适用于工程机械、农业机械等工作环境恶劣、控制精度要求不高的应用场合。GPCM控制阀各节流基元通过液压集成块连接到一起,主流道与分支流道之间主要为直角相交连接,使得GPCM控制阀内部的流道较复杂,且由于流道变化时,会出现涡旋,导致能量损失和产生流体噪声,且涡旋对节流阀内流体流动会产生影响,使流量调节精度降低。因此对GPCM控制阀内部流道流场进行仿真计算,可指导阀的结构设计工作,有现实意义。

　　GPCM控制阀内各基元之间是并联连接的,流道连接较复杂,要完全按照它的结构来进行分析是不现实的,也不具有通用性,因此将GPCM控制阀内流道之间的连接简化为如图1所示的结构来进行分析,图中各支路中的节流单元流量不同,单元个数和各单元的流量根据系统的具体控制要求确定。本文将引入计算流体力学(computational fluiddynamics ,简称CFD)方法来分析分支管路压力与流量分布的关系。

　　1　CFD仿真数学模型

　　计算流体力学是20世纪60年代发展起来的一门学科[3],以计算机为工具,应用数值计算方法,对流体力学的各类问题进行数值计算、模拟和分析研究。经过半个世纪的发展,CFD技术已经相当成熟,广泛应用于航空航天、动力工程、力学、水利、海洋等科学和工程领域,已成为工程设计的重要手段[4～8]。

　　目前出现了许多种CFD通用软件[9],为分析模拟复杂流场提供了有力工具,本文使用FLUENT软件进行GPCM控制阀流场的分析。

　　阀内流道的实际流动问题是十分复杂的,在分析GPCM控制阀流场之前,有必要假设:所研究的流体是牛顿流体。忽略质量力。流体密度不变。忽略温度和压力对流体粘度影响。对于湍流的CFD模拟计算目前主要有以下几种常用模型[10,11]:k--E(湍流动能耗散率)模型,代数应力(algebraic stress model,简称ASM)模型,RSM (Reynolds stress model)模型, RNG (re-normalisation group)kE模型。RNGkE模型是一个更一般、更基本的模型,具有较好的计算精度与可靠性,因此选用它作为流体计算的模型。

　　在卡特尔坐标系中,流体在i(i=1,2,3)方向的速度分量为脉动速度。流体连续性方程为

　　式中坐标轴方向上的平均速度,i=1,2,3动量方程为

　　利用广义Boussinesq假设将Reynolds应力转换成平均速度的偏导数的关联式

(5)

　　在E方程中出现了考虑非平衡应变率影响的附加耗散生成项,反映在E方程中C1E不再是常数,而其他参数均为常数。C1E由下式确定