基于CFD的液压锥阀内部流场的数值模拟分析

　　液压锥阀是液压系统中的控制元件,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的液压锥阀易实现模块化、集成化,所以,在液压技术中被广泛应用.液压阀对流体的控制是通过内部流体的流动来实现对执行元件动作的控制,是以流体在阀中流动的运动学和动力学规律为基础,为使其有较好的工作性能,需要深入研究阀内流体的流动状况以及流体与阀的固定部件之间的动力学联系,了解锥阀内部油液流动对液压阀产生的影响,从而为阀的设计和使用提供理论依据.

　　近年来,随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展,应用CFD方法对液压阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析,成为液压技术领域新的研究热点.实际中使用的锥阀流道复杂,并不是完全对称,而以往文献把锥阀内部流场简化为二维模型[1-4],或者简化了内部的阀套和出口的流道的流线型复杂状况[5].为了深入了解锥阀内部流场的情况,按照实际使用中阀的结构和参数建立模型,对内部流场进行了三维数值模拟和仿真.

　　1 计算模型与网格划分

　　图1是插装型液压锥阀的结构原理图.模型为16通径,阀芯是不完整锥阀,阀芯半锥角为30b,在阀套上有6个对称通孔.

　　考虑到锥阀构造复杂,采用CAD软件进行实体建模.按照实际使用中阀的结构参数建立三维模型,阀座部分不完全对称,出口处的流道根据流线设计.由于CAD软件的参数化建模特征,很容易对优化后的阀重新快速高效地建立模型.

　　几何模型建立后,利用CFD前处理软件Gambit进行网格划分.由于阀内部流道的复杂性和节流口、通流孔对流场的影响,依照阀的几何特征,对网格进行了细化.考虑锥阀的结构和内部流场压力变化较大的区域,在阀口和流道的拐角处进行了细化,如图2所示.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,这样有助于提高解的精度.

　　2 计算条件

　　进出口边界条件取为速度入口和压力出口.在计算过程中对流体和流动状态进行了如下设置:

　　1)流动状态为紊流,采用标准k-ε紊流模型;2)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.

　　3 仿真结果与分析

　　采用CFD软件对阀内流场进行了仿真,仿真结果以流场、压力等变量的轮廓图和速度的矢量图以及流动中的流线图等给出,可对阀内流场进行仿真计算和可视化分析.如图3给出的油液在锥阀内部的流线图,对流道的改进提供了直观的依据.

　　为了说明开口度对锥阀内流场的影响,给定边界条件,分析比较流量相同、出口压力相同、开口度不同时的仿真结果.流量为50L/min、开口度为0.5mm时的仿真结果如图4所示;流量为50L/min、开口度为1.5mm时的仿真结果如图5所示.