液压阀性能的条件性仿真研究

　　液压阀的基本流体构件是节流孔和滑阀,液压阀性能的条件性研究是在不同的条件下,通过对节流孔和滑阀流动场状况的分析,从而开展对液压阀性能的研究。文中要探明的问题是:压力差出现阶跃变化时,节流孔和滑阀的流动场结构将发生的变化;它们流动特性的相似之处;初始条件和压力差对节流孔和滑阀的性能影响。分别对流体通过节流孔和滑阀的性能进行了仿真研究,对不同的初始条件下节流孔和滑阀的流动场结构和参数间的关系进行了分析,得出了二者的流量系数和雷诺数关系和直观的流线图这一具有启示意义的结果。

　　1 数值计算方法

　　研究对象及坐标系如图1所示。为了集中研究节流孔口和滑阀的开口部分对液压元件性能的影响,尽可能用简单的形状。适当地选择坐标系可减少自变量的个数从而减少计算时间,采用轴对称的圆柱坐标系(r,z),对应的速度为(u,w),无旋转速度分量。根据守恒定律,对于不可压缩流体,纳维尔-斯托克斯方程和连续方程为式(1)所示^[1]。

　　文中,所有量纲量都上加符号-表示。为流体的动粘度,为流体的密度。长度的代表量为圆管半径和滑阀半径速度,压力,流量和时间的代表量分别为。用诸量除以代表量使其为无量纲量, r,z方向的速度分量压力差,流量时间。

　　计算在大型计算机CRAY Y/MP8上进行。计算的平均格子间隔是经过各种值的预备计算后决定的。长度L=32的圆管内有一厚为b=0.1的短管型节流孔,管半径r₀=1,节流孔半径r_i=0.2,滑阀的行程x=0.2,滑阀的半径r₀=1,阀套上的槽宽l=r₀=1,滑阀的长度L=5_r0=5。滑阀轴的半径r_i=0.5,计算领域的外周半径r_b=8被固定来进行数值计算。

　　所用的数值解析方法是先用等间隔的交错矩形网格,基于有限体积法将基础方程式离散化,然后用类似于SIMPLER法的迭代算法解离散化所得的差分方程组^[2]。主要特点为:1)用改良的QUICK法离散对流项。使用了3次精度的有限差分境界条件。与以往的QUICK法的本质的差异是为了保证反复过程中境界面的流束的连续性加了生成项处理,加强了数值计算的安定性^[3]。2)用5重对角矩阵的隐式(MSI法)代替Thomas计算法解线性代数方程式,提高了计算效率。3)用2次精度的隐式离散时间微分项。此法可用比显式大的时间间隔来加快计算。

　　2 数值计算的讨论

　　在不同的初始条件下,对种种变化的压力差Δp进行了稳定计算。当t=0,全部流体为静止,压力差Δp=032 000,Δp=0352000阶跃变化时,滑阀的稳定流的流线如图2(a)和图2(b)所示。当压力差Δp=32000352000阶跃变化时,滑阀从稳定流(图2(a))开始变化,达到另一个稳定流(图2(c))。计算可得,Δp=32000时,节流孔和滑阀的稳定流与初始条件无关,各自得到唯一的稳定解。Δp=352000时,分别以静止状态为初始值和以稳定流为初始值,节流孔的稳定流都得到同样的稳定解,但滑阀的稳定流由不同的初始条件导致2个不同的结果。如果以静止状态为初始值,射流接近右侧的壁面,射流角θ=60.3°(图2(b))。如果以图2(a)的解为初始值,射流接近左侧的壁面,射流角θ=62.4°(见图2(c))。