纯水液压锥阀阀口流场气穴的CFD研究

　　0　引言

　　纯水液压传动是流体传动及控制领域新的发展方向之一,将有广阔的应用前景。与传统的液压油相比,纯水具有无污染、安全、价格低廉、节省能源、来源广泛等突出优点,但由于纯水的粘度低、润滑性差、气化压力高和易腐蚀等缺点,会引起纯水液压元件及系统的腐蚀、泄漏、气穴等问题。

　　气穴是液压元件内一种常见的有害现象。它不仅破坏流体的连续性,降低介质的物理性能,而且会产生振动、噪声,还会使系统的效率降低。由于纯水的饱和蒸汽压比液压油高数百万倍,且随温度的升高气化压力急剧上升,所以纯水液压元件及系统中的气穴现象较严重。

　　本文针对纯水液压锥阀阀口的特点,应用FLU2ENT软件对阀口流场气穴进行了CFD解析,进而定性确定气穴发生的程度与流场压力分布之间的关系,其结果对纯水液压元件气穴控制的理论和应用研究有一定的参考价值。

　　1　CFD模型及解析假定

　　锥阀按使用情况分为外流式(Diverged Flow)和内流式(Converged Flow)两种,如图1所示,外流式是水流的方向是从左向右,而内流式的水流方向与此相反。本文分析的模型是外流式锥阀,以阀口ΔX为例进行研究。

　　1·1　CFD分析模型

　　锥阀内的实际流动应该是三维的,但考虑到流动的特性,将阀内的流动近似为不可压缩,恒定的牛顿流体(即速度梯度变化时,动力粘度μ不变),根据锥阀内流动对称性原理,只取流动区域的一半作为计算对象。

　　本文建立了两种CFD的模型:一种为锥阀的常规的模型;另一种为改进后的模型。图2即为常规模型的结构尺寸。改进后的模型圆弧半径R=10mm,凸台长度为8mm,半径为4mm,其它条件不变(如图3)。

　　1·2　解析假定

　　在数值计算过程中,对上述两种模型作了如下的解析假定:

　　(1)流动介质为水(H₂O),其条件参数参考表1。

　　(2)由于水的压缩性是非常小的,压力每增加101·3kPa (一个大气压)时,其体积变化不到万分之一,因而在计算中完全可以忽略压缩性的影响,按不可压缩处理。

　　(3)该模型中的雷诺数Re=v·D /υ=72000,远大于临界雷诺数,因此水流在锥阀内的流动状态是湍流,故采用k-ε湍流方程进行计算。

　　(4)求解离散方程组用SIMPLE方法。

　　1·3　数学模型

　　(1)基本方程

　　由于将锥阀简化为二维轴对称模型,且流体为不可压缩流体,所以其质量方程为:

　　动量方程为: