阀芯运动过程液压锥阀流场的CFD计算与分析

　　引言

　　锥阀是液压技术中重要的基础元件,对于用作先导控制的小流量锥阀,已有的研究工作中用数值方法分析了阀内流体的速度分布、压力变化、漩涡的产生与消失、流体噪声、能量损失机理等。对于作为主阀的锥阀,研究工作主要集中在阀芯处于某一确定开口的稳定状态[1～5],且忽略了阀套对阀内部流场的影响,将阀的内部流场近似为轴对称、简化为二维模型。但工作中锥阀常常处于开启和关闭的运动状态,阀芯运动会引起阀内流场的变化,采用CFD方法计算时要用到复杂的网格适应和动网格技术。

　　液动力一直是液压阀的研究重点,对稳态液动力的研究报道较多,也有一些补偿措施[4～7]。但对瞬态液动力,研究工作主要针对滑阀,而对锥阀的研究文献较少。文献[8]虽然对内外流情况锥阀的瞬态液动力进行了理论和试验研究,也只是参照滑阀的研究结果给出了计算公式,对于如何确定阻尼长度没有给出明确的说明。对于流量系数也只是局限于阀芯处于稳定状态的情况,阀芯运动过程中流量系数的大小和变化趋势尚不清楚。

　　1　锥阀几何模型

　　虽然应用Fluent软件内部的程序就可以建立阀内流道的几何模型,但受功能限制不宜构造复杂的几何形状。所以采用软件Pro/E对研究对象进行建模,其优点是可以绘制非常复杂的几何形状。图1是建立的计算所需的锥阀内部流道几何模型。模型尺寸采用16 mm通径的标准插装阀,阀芯采用不完整锥面,阀芯半锥角为30°,出口处的流道根据流线设计,以减少能量损失。

　　2　网格划分与计算条件

　　使用面向CFD的前处理器软件Gambit对锥阀内部流道进行网格划分。考虑到计算机运行时间和存储容量,在入口和出口处采用较粗网格。由于阀口处的节流作用,阀口附近的流速和压力梯度较大,需要对网格进行细化,在出口流道的拐角处也进行了局部细化,划分网格后阀内流场情况如图2所示。

　　3　仿真计算和结果分析

　　对锥阀阀芯的开启和闭合过程,采用动态网格技术来实现。阀芯运动后新的边界位置由Fluent自动执行更新,只需给定初始网格和使用用户自定义函数UDF定义运动区域的运动即可。使用UDF功能可以定义不同的阀芯运动速度来进行仿真计算。

　　图3是阀芯在开启过程中处于3个不同位置的示意图。图4～6给出阀芯运动到同一位置1 mm处、流量为100 L/min、阀芯运动速度方向不同时,阀内流体的速度和压力分布情况。受篇幅限制,只给出部分代表性的仿真计算结果。

　　从图4可以看出,在阀芯开启和闭合过程中,阀内最高、最低压力的位置基本相同;但是在阀芯关闭过程,由于阀芯对流体产生挤压作用,阀芯底面的压力明显大于开启过程和稳定状态的值。计算也表明,关闭过程更容易在阀的节流口处出现低压区,产生气蚀。从图5、图6可以看出,阀套上通油孔与出口流道接口处的漩涡,开启过程比闭合过程的区域要小一些,说明闭合过程要较开启过程容易产生气蚀。阀芯下部流线改变方向的位置,在开启过程较闭合过程要离阀口远一些,这表明作用于阀芯底面的压力不同。在横截面上速度分布基本相同。当阀芯运动速度不同时内部流场的压力分布基本相同,阀芯运动速度大时阀套上通油孔处的漩涡较大,会造成大的能量损失。