液压比例阀阀芯V形槽口的CFD解析

　　液压阀通过控制系统的压力、流量和方向, 在液压系统的性能方面起着至关重要的作用。作为液压控制阀主要构件的滑阀, 在系统中得到了普遍应用, 同时它也是产生系统噪声和能耗的主要根源。目前, 为了使流量控制时的流量变化与阀芯位移成比例, 以减小节流噪声和换向冲击, 而在阀芯上开出了对称分布的 V 形槽口。为进一步弄清楚不同 V形槽口结构对应的位移- 流量变化关系与液动力-流量变化关系, 尤其有必要进行滑阀的 CFD 解析研究, 以便优化滑阀结构的设计, 提高滑阀的操作性能。

　　本文针对滑阀开启过程中的流量和液动力变化特性所进行的 CFD 研究, 将瞬态计算与稳态计算进行了比较, 这对提出既简单又适合工程应用的解析方法具有重要的意义。

　　1 滑阀的 CFD 模型及计算条件

　　1.1 滑阀结构及计算区域

　　图 1 为带 V 形槽口的滑阀结构简图。图中箭头方向为流体的流动方向, x 为阀口的开度, v 为阀芯在移动方向上的速度。由于带 V 形槽的滑阀与普通滑阀的区别在于 V 形槽口, 且滑阀阀腔内的流动是对称的, 因此可仅取流动区域的一半作为计算对象。

　　1.2 计算模型的建立和网格划分

　　将图 1 中的流体区域作为求解区域, 运用有限体积法将模型划分成 261,924 个四面体单元和 54,940 个节点(图 2), 其中阀芯区域划分为 82,993 个网格, 17,407 个节点 (图 3); 阀套区域划分为 178,931个网格, 37,533 个节点(图 4)。

　　1.3 计算条件

　　进行滑阀解析计算时, 应对上述模型作如下的解析假设:

　　(1) 假设滑阀为理想滑阀, 即阀芯与阀套配合精确而无径向间隙;

　　(2) 流动介质为液压油, 其参数如表 1 所示;

　　(3) 流体为牛顿流体(即动力粘度 μ不因速度梯度变化而发生变化);

　　(4) 因阀体尺寸很小, 可忽略流体重力与阀腔内部流体传热的影响;

　　(5) 由于在滑阀开启过程中, 阀口处油液的流动状态主要呈紊流, 故计算时采用 k- ε紊流模型。

　　紊流能量 k 为:

　　紊流能量耗散 ε为:

　　式中,U ———入流速度;

　　I———紊流强度;

　　cμ———0.09;

　　I———紊流长度。

　　(6) 数值计算方法采用有限体积法中常用的SIMPLE (Semi- Implicit Method for Pressure- LinkedEquations)算法, 求解离散方程组。

　　2 滑阀瞬态建模

　　下面为滑阀开启过程进行瞬态建模。