水压滑阀流场的CFD解析

　　前 言

　　水压阀是水压传动与控制系统中重要的基础元件。在水压系统中, 水压阀控制着水压回路中的压力、流量及流动方向, 其性能对整个水压控制系统的性能起着至关重要的作用。同时, 滑阀在水压系统中的应用非常普遍。因此, 对水压滑阀进行深入的研究, 是十分必要的。

　　滑阀中的液压冲击、振动、噪声以及气蚀是研制液压滑阀的主要难题, 而有限元数值计算方法又被流体研究领域证实是一种可行而有效的流场计算法, 因此, 可以通过 CFD 解析对流场进行数值模拟和可视化研究, 并以此定性分析流场结构( 速度、压力、流动的分离、再附壁, 旋涡的产生与消失等)与能量损失、作用力等的关系, 从而为设计出高效率、低能耗、低噪声的滑阀提供理论依据。

　　目前, 国内外液压工作者对液压系统中滑阀的结构机理进行了大量研究, 但由于水的理化特性和油的理化特性本质上有很大区别, 尤其是水的粘度比油的粘度小得多, 使得对于具备同样结构的滑阀, 压系统中其流道的流场特性与液压系统中流道的流场特性相比会有一定的差别, 因此, 对水压系统下的滑阀流场进行仿真分析是很有必要。

　　通过可视化分析工具, 对滑阀内流场进行了稳态和动态解析, 并对流场特性作了分析。为降低实验研究成本、缩短开发周期提供了条件, 分析结果为水压滑阀的设计或改进提供了参考。

　　1 水压滑阀的 CFD 模型及计算条件

　　1.1 几何建模及网格划分

　　图 1 所示为本文研究的滑阀的结构简图, 它主要由阀体和阀芯组成。其主要参数如表 1 所示。

　　阀芯为空心圆柱体,本文以水压滑阀阀口开度 x为 6.5mm 进行流场内流体的稳态分析及阀口开度不同情况下的瞬态分析。

　　图 2 所示为本文研究的水压滑阀的 CFD 模型。该模型的网格划分数为六面体单元 57024 个, 网格节点 66696 个。

　　1.2 计算条件

　　首先对滑阀进行的是稳态分析, 因此在数值计算过程中, 可以对流体状态作如下的假定:

　　(1)假设滑阀阀芯与阀体配合精确, 无径向间隙, 无泄漏。

　　(2)流体介质设为纯水, 其温度在 20°C 时的物理特性参数如表 2 所示。

　　(3)流体为不可压缩、恒定的牛顿流体(即速度梯度变化时, 动力粘度 μ不变) 。

　　(4)通过计算, 此模型中的雷诺数 Re=v·D /ν=99400, 远大于临界雷诺数 Recri(2000～3000), 流体流动状态为紊流, 故采用标准 k- ε紊流方程。

　　(5) CFD 计算软件为 Star- CD, 数值计算方法采用有限体积法中常用的SIMPLE (Semi- ImplicitMethod for Pressure- Linked Equations)算法。