插装型液压锥阀内部流场的三维动态仿真分析

　　0 前言

　　液压锥阀是流体传动与控制系统中重要的基础元件, 用来对油液的压力、流量和流动方向进行控制。特别是采用插装技术易实现模块化和集成化, 在液压技术中被广泛应用, 代表了阀控液压技术的发展方向。为使其有较好的工作性能, 需要了解锥阀内部油液流动对液压阀产生的影响。

　　锥阀在工作过程中, 是靠阀芯的启闭对油液的流动进行控制, 阀芯多数处于运动状态。阀芯在运动过程中阀内流场对阀的工作性能和瞬态响应有很大的影响。目前的研究报道中, 大多都是对阀芯在固定开口度下的流场进行的研究。本文采用动网格技术, 对锥阀阀芯在静止和运动两种状态时的流场进行了仿真分析。研究工作为以后对阀的设计和性能优化提供了理论依据。

　　1 计算模型

　　用 CAD 软件按照实际使用阀的结构参数, 建立了锥阀的三维几何模型。由于 CAD 软件的参数化建模特征, 若根据仿真结果优化或改变阀的结构参数后, 易快速高效地重新建立几何模型。插装型液压锥阀的结构原理图, 如图 1 所示。工作时流体流入入口, 经过节流口, 流入阀芯和阀套间的内阀腔中, 然后通过阀套上的通油孔, 进入阀体与阀套间的外阀腔, 最后汇总到阀的出口, 经过弯道从出口流出。

　　2 网格划分

　　由于阀内部流道的复杂性和节流口、通流孔对流场的影响, 依照其几何特征, 预先对网格进行了局部细化, 如图 2 所示。且在求解过程中, 以压力梯度为自适应函数, 对网格进行了自适应划分。这样在计算机资源有限的情况下, 有助于提高解的精度。

　　3 计算条件

　　在计算过程中对流体和流动状态进行了如下设置:

　　·流体为不可压缩、牛顿流体。

　　·流体密度为 860kg/m³。

　　·液压油选用抗磨液压油 YA- N46, 运动黏度为29mm²/s。

　　·流动状态为紊流, 采用标准 k- ε紊流模型。

　　·流场中的流动是单相流。

　　·流体与壁面接触的边界为静止壁面。

　　进出口边界条件取为速度入口和压力出口。

　　4 仿真计算结果

　　为了研究锥阀在工作过程中的各种性能, 本文分析仿真了锥阀阀芯以不同的速度开启和闭合过程时阀内的流场。

　　阀芯的运动采用动态网格技术来实现。给定阀芯不同的运动( 包括开启和闭合) 速度 0.1m/s 和 0.05m/s,仿真了流量分别为 50L/min, 100L/min 和 200L/min 时阀内的流场。

　　由于阀是三维面对称流动, 为了使显示结果更加清晰, 选用几个有代表性的截面进行可视化分析, 如图3 示意的截面位置。由于篇幅有限, 仅给出代表性截面上的压力轮廓图和速度矢量图的部分图例如图 4~图 8。