直动式纯水溢流阀的流场仿真

　　0 引言

　　纯水液压已经成为液压发展的新方向,但研究它就要很好地解决气蚀问题。在常温下,气体的体积溶解度在矿物油中为5%~10%,在水介质中的气体含量比油中的低,但水介质的饱和蒸汽压比液压油高数千万倍,如在50e水的饱和蒸汽压为0.12bar,油的饱和蒸汽压为1.0@10-8bar,所以纯水液压元件和系统易发生严重的气蚀。气蚀不仅会造成过流表面材料的破坏,导致元件和系统的性能降低*安徽省教育厅自然科学基金资助(2005kj042zd)或功能失效。并且发生气蚀时会产生压力突变引起流体的扰动而产生的噪声,称之为气蚀噪声。气蚀噪声是一种使人听起来不舒服和令人烦躁不安的声音,直接危及到人的情绪、健康和周围环境。

　　本文提出几种结构的锥阀,并采用CFD技术对其进行流场仿真,分析其气穴的发生情况,探讨如何通过优化结构来减小气蚀。

　　1 几何模型

　　图1为锥阀的结构简图。进口直径d=10 mm,阀腔半径r=12.5 mm,x为阀口开度,A为阀芯半锥角,流动方向为外流式。流体在阀腔内的流动是三维流动,考虑到阀腔结构及流动的对称性,采用二维轴对称的几何模型进行计算。初始的计算网格由GAMBIT程序来生成,采用非结构化的三角形网格单元,并运用FLUENT的网格细化功能对初始网格进行了局部细化处理,以获得更好的求解精度。最后将几何模型划分为8 470个三角形网格单元。

　　2 边界条件

　　边界条件定义为进口速度与出口压力,假定壁面绝热,壁面与流体之间没有热交换。进口:平均流速沿轴向ui=5 mPs,沿径向为0。出口:绝对压力po=0.1 MPa。流体介质为纯水,密度为998.2 kgPm3,20e时的黏度为1.003×10^-6m²Ps。

　　由以上条件分别做不同开度和不同锥角的仿真,得到其流场情况和压力值,并分析对阀气蚀的影响。

　　(1)阀口开度x=0.5 mm

　　阀口开度为0.5 mm,阀芯半锥角为45b,阀进口流速为5 mPs,出口压力0.1 MPa。由Flunt的静压等值线图可看出,阀口处流体高速喷射,根据伯努利方程可知,压力很快降低,最小静压力发生在阀芯锥面与柱面相接处,达到-2.39 MPa。并且旋涡区中心压力也较,由CFD(Comptuta-tional Fluid Dynam-ics)还可以作出湍动能云图、速度矢量图及对应的流线图。可以看出回流是阀腔内流动的主要特征,阀口处发生流体的分离现象,阀腔内形成2个旋涡,一个位于阀座拐角处,尺度比较小,另一个位于阀的下游,尺度相对比较大。从流线的疏密程度可以判定,阀座拐角处的旋涡强度比较强,后面的旋涡强度比较弱,这2个旋涡消耗了主流运动的能量,导致压降与能量的降低。图2所示为锥阀入口压力的分布图,由图中可以看出入口压力达到了5.19 MPa。