基于CFD的液压锥阀阀芯启闭过程的液动力分析

　　0 引言

　　插装式锥阀通流能力大，阀芯动作灵敏、抗堵塞能力强且泄漏小，易于实现标准化，尤其在高压大流量的液压系统中被广泛应用。液动力是设计、分析液压控制阀及液压系统的重要因素。对系统进行分析时，它是主干扰量之一。故锥阀液动力问题一直是人们关注的一个重要问题。

　　根据液动力产生的原因不同，分为稳态液动力和瞬态液动力两种。目前关于锥阀稳态液动力的机理研究和理论计算公式的推导研究报道较多，根据研究结果也对稳态液动力提出了很多有效的补偿措施[1~4]。对锥阀瞬态液动力的研究文献很少，文献 [5] 虽然对内外流情况锥阀的瞬态液动力进行了理论和实验研究，也只是参照滑阀的研究结论给出了计算公式。

　　锥阀在工作过程中，阀芯大多处于运动状态。因此对插装型锥阀在开启和闭合工作过程中锥阀所受的液动力进行深入分析，对阀的结构参数设计和流道的优化设计具有重要的实际意义和理论指导意义，有利于对系统特性进行建模分析时进行更精确的参数设置，另外也可对液动力的补偿研究作铺垫。

　　1 研究对象几何模型与网格划分

　　插装型锥阀模型为 16 通径，阀芯是不完整锥形，阀芯半锥角为 30°，在阀套上有六个对称通孔，阀座部分不完全对称的。图 1 为建立的锥阀几何模型。

　　流场网格的划分直接关系计算的精度，甚至于收敛性。本文模型的网格采用四面体网格进行划分，考虑到计算机容量，对其进行了局部细化，细化主要针对流场中压力梯度较大、流场速度梯度大和结构转折较多的部分。由于在锥阀的阀口处的节流作用，阀口处的压力梯度较大，速度很大，在阀口处对网格进行了初步的细化，并且在出口拐角处进行了局部细化。网格划分见图 2。

　　2 仿真计算条件

　　液压阀对流体的控制是通过改变阀芯和阀体之间的开度来实现对执行元件动作的控制。系统在不同的工况下，液压阀开度不同。所以在工作过程中阀芯处于运动状态，实现开启或闭合动作。

　　对锥阀阀芯的运动仿真采用动态网格技术来实现。使用 UDF 功能可以定义阀芯不同的运动速度进行仿真计算。

　　流体与壁面接触的边界为静止壁面。进出口边界条件取为速度入口和压力出口。在计算过程中对流体流动状态进行了如下设置：①流体为不可压缩、牛顿流体；②流动状态为紊流。

　　3 液动力的数值计算和仿真结果

　　3.1 稳态液动力

　　当液流流经阀腔和阀口时，由于液流动量发生变化使液流产生的作用在阀芯上的附加力，称为液动力。阀芯固定不动时，由于动量变化产生的液动力为稳态液动力。锥阀阀腔内部液流受到的稳态力为：