水压锥阀三维流场的数值模拟

　　0 前言

　　水压传动是直接以天然水代替矿物油作为工作介质的传动方式,具有无污染、价格低廉、节省能源、使用维护方便等独特优越性,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。在液压阀中,锥阀具有泄漏小、动作可靠、结构简单,在水压阀中日益得到广泛应用。有研究者对锥阀简化成对称结构进行二维动力学分析^[1-2],都将其看成完全对称的结构进行模拟计算,而二维模拟并不能完全反映锥阀内部的流动情况,由于锥阀内的流动为三维湍流流动^[3],本文针对锥阀的特点,应用FLUENT软件对两种不同半锥角的锥阀流场进行了三维数值模拟及可视化分析,再现了锥阀的流场特性,为开发与研制高效、低能耗的水压锥阀奠定一定的基础,对开发新的结构及相关液压元件有重要的意义。

　　1 数学方程和CFD模型ε

　　锥阀按使用情况分为外流式和内流式两种。如图1所示,外流式是水流的方向是从下向上,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,以阀口开度为例进行研究。

　　1.1 数学模型

　　由于锥阀内的流动是三维流动,因水的压缩性很小,将阀内看作为不可压缩流动。对于任何流场,流体运动都受基本的物理守恒定律所支配,如质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律等,本文研究的对象是单相流体,并且忽略流体介质与阀体之间的热交换对流动的影响,故基本的控制方程为质量守恒方程和动量守恒方程^[4]:

　　质量方程:

　　动量方程(Navier-Stokes方程):

　　式中:u为速度矢量,其速度分量分别为u、v、w,而为各脉动速度分量。

　　1.2 CFD模型

　　由于锥阀内的流动为三维湍流流动,并且锥阀结构是不完全对称的,所以将采用三维方法模拟锥阀内部的流动情况。本文建立了半锥角分别为30b和45b的两种锥阀模型,两者进出口直径相等,分别为12mm和10mm,其它条件相同。在GAMBIT中建立计算域几何模型,对锥角部分划分混合网格,其它部分划分六面体网格,这样可以保证水流流动方向与离散控制体有很好的一致性。因为阀口区域静态压力梯度较大,因此对这部分加密了网格,以获得更好的求解精度。图2显示了45°锥阀的计算域网格,共计177669个网格单元。

　　2 流场数值求解

　　2.1 解析假定

　　在模拟计算过程中,对上述模型做如下假定:

　　(1)以水作为流动介质,其密度为99812kg/m³,动力粘度为0.001Pa.s。

　　(2)由于水的压缩性很小,因此在计算中忽略压缩性的影响,按照不可压缩来处理。