基于Fluent的负载敏感平衡阀流场分析

　　    0　引言

　　    液压平衡阀是一种重要的液压元件,在工程机械、起重运输机械等领域中广泛应用,主要为了防止承载下降时出现超速危险。传统的平衡阀存在着不少缺点:负载较重时,容易出现低频振动,工作平稳性得不到保障,安全性较差;负载较轻时,控制压力偏高,致使系统功率损失严重。针对这些问题,文献[1]提出了一种新型的负载敏感平衡阀,该阀阀口的开度随负载的增加而自动减小,从而产生与负载匹配的背压。其控制压力为定值,从而保证在负载较重时,背压与负载匹配,在负载小时功率损耗较小[2]。本文按照某规格的负载敏感平衡阀的设计参数,应用Pro/E软件建立了平衡阀内节流阀芯的三维几何模型,运用Fluent前处理软件Gambit进行了网格的划分。在四种压力及对应四种阀芯开口量的情况下,对流体在阀流道内的流动状态进行了仿真研究。通过模拟和分析得知,阀道内各处流体的压力和速度分布情况、流体的流动状态与漩涡的产生区域,并通过截取各个阀芯小孔处的平均速度,计算在不同负载时的流量,验证了流量的稳定性。所得结论为阀道及节流口的结构设计与优化提供了参考依据,进而为改进系统、提高其工作的稳定性奠定了基础。

　　    1　模拟过程

　　    1·1　节流阀内部流体区域的确定和参数设定

　　    负载敏感平衡阀的关键在于其节流阀的开口随负载的变化自动变化,因此,这里主要考察节流阀部分。图1所示为其结构简图。计算域为流体从入口进入,经阀芯上的小孔流入节流阀内部通道。

　　    计算运用的控制方程为三维不可压缩黏性流体N-S方程[3-6]。

　　    连续方程:

　　式中　U———速度矢量,单位为m/s;

　　u、v、w———速度矢量U在x、y、z方向上的矢量,单位为m/s;

　　p———流体微元体上的压力,单位为Pa;

　　Re———雷诺数;

　　 2———拉普拉斯算子:

　　    模型采用标准k-ε模型,标准k-ε模型的湍动能k和耗散率方程为如下形式:

　　式中　Gk———由平均速度梯度引起的湍动能;

　　    Gb———由浮力影响引起的湍动能;

　　    k———湍动能;

　　    ε———湍流耗散率。

　　    在计算过程中,取C1ε=1·44, C2ε=1·92, C3ε=0·09,σk=1·0,σε=1·3。

　　    1·2　Gambit建模和模拟条件的设置

　　   Gambit是Fluent的前处理软件。网格采用六面体网格,进出口边界条件取为压力入口和压力出口。在计算过程中对流体和流动状态进行了如下设置:流体为不可压缩流体;流体密度为860kg/m3;液压油选用抗磨液压油YA-N46,运动黏度μ=29mm2/s;流动状态为紊流;流场中的流动是单相流;流体与壁面接触的边界为静止壁面。压力—速度耦合采用Simple算法,环境压力为1个标准大气压,迭代次数设为500次,同时打开监视器,监视出口面的压力值,从而确定迭代计算是否收敛,当出口压力恒定不变时,即认为迭代收敛。