液压锥阀阀口流场数值模拟与仿真分析

　　液压锥阀是流体传动及控制技术中重要的基础元件,它具有密封性好,过流能力强,响应快,抗污染能力强等特点,逐渐获得广泛应用。近年来发展起来的逻辑阀、比例阀中,基本上都采用锥阀结构。锥阀在工作时,流体内的流动非常复杂,流体经过阀口,在局部经常出现旋涡区和速度的重新分布,旋涡区中,流体不规则地旋转、碰撞、回流,消耗了主流运动的能量,导致压强、水头、能量的损失,产生气穴现象,引起流体噪声。所以对锥阀内气穴流场的研究十分必要。

　　液压阀内的流动多数属于湍流,阀口气穴流属于多相流,直接用 N-S 方程对湍流流场进行直接数值模拟目前还只能解决一些简单的流场。因此,在现阶段,湍流模式理论仍是解决工程问题的有效办法[1]。曹秉刚[2]等对锥阀内无气穴的流场进行了边界元法解析。高殿荣[3,4,5]等运用有限元法对液压锥阀、突扩流道无气穴的内流场进行了数值模拟。本文针对锥阀阀口喷流的特点,将气穴模型中气相体积比方程、汽化质量方程引入 RNG k- ε湍流模型,并与两层近壁模型相结合,应用商业化的 CFD 软件对锥阀阀口气穴流场进行了数值模拟。得到流场速度矢量分布、流线图、压力分布、及气穴发生后的气体体积比分布等物理量的分布。研究方法及结论对液压元件气穴控制的理论和应用研究具有很好的参考价值,对液压元件进行流道结构的优化设计具有重要的实际意义。

　　1 流场计算的数学及几何模型

　　1.1 基本方程及数学模型

　　液压锥阀的工作油,可以认为在流动过程中为不可压缩粘性流体,其基本方程主要有动量方程和连续性方程,不可压缩粘性流体的连续性方程

　　该方程是质量守恒定律在运动流体中通常的数学表达式,对可压缩流体与不可压缩流体均适用。 项是质量附加项。式中,

　　动量方程是动量守恒原理在流体运动中的表现形式,对于不可压缩粘性流体,忽略体积力,并将瞬时压力分解为平均值和脉动值之和,可得

　　该式就是湍流平均运动的雷诺方程,其中称为雷诺应力,由式可见该项是唯一的脉动量项,所以可认为脉动量是通过雷诺应力来影响平均运动的。这也是雷诺应力在湍流中占有重要地位的原因。

　　雷诺应力是未知的, 因此雷诺方程不封闭。为封闭雷诺方程,需对雷诺应力进行模式化处理,湍流模式就是由一些假设或近似关系建立足够的雷诺应力方程组使得平均方程可解,为此发展了从零方程代数模型到二阶矩封闭模型等不同层次的模型。在实际工程计算中主要采用的是所谓一阶模型,即零方程模型和两方程模型,k- ε两方程模型已广泛用于各种复杂流场。