基于Fluent液压集成块内部流道流场的数值模拟

　　前言

　　液压集成块作为集成式液压系统的关键零部件，具有结构紧凑、元件密度高、占据空间小，维护、安装、调整和更换液压元件方便等优点，在现代的液压系统中被广泛采用。一般来说，液压集成块的内部孔道，通常采用钻、镗等加工方法。但采用机械加工的方法一般不能形成流线型流道，直角转弯流道比较多，从而导致流场结构复杂，能量损失增加^[1]。液压集成块的内部通油孔道属于典型的复杂空间孔系^[2]，在一个块体上纵横交错分布着很多个长短、大小不一的孔道，孔道的连接形式可分为短直管路、直角转弯管路、突扩( 缩) 管路和交叉管路。由于直角转弯管路的连接形式在液压集成块设计中最为常见，因此本文从直角转弯管路的流道结构形式出发，应用 Fluent 软件来探讨流道结构形式对流体能量损失的影响规律。近几年随着计算流体动力学( CFD) 方法和计算机技术的快速发展，CFD 数值模拟的优越性越来越明显，使采用数值模拟的方法来仿真液压集成块块体流道内液流的三维复杂流动成为了可能。它不仅能详细地显示集成块的内部流场，而且相对于实验研究，它有其独特的优点:研究成本低、周期短、能在计算机上直观地显示结果、便于优化设计; 同时，它具有很好的重复性，条件容易控制。

　　1 液压集成块内部流道的物理模型

　　本文以一个由4 个液压阀装配成的液压集成块( 如图1 所示) 作为研究对象，该集成块中包含6 条流道( 如图2 所示) 。从图2 中可以看到，流道1、6 由直角转弯管路组成，流道2 由短直管路组成，流道3、4、5由直角转弯管路、T 字型分支管路和工艺孔容腔组成。这里以流道3 为例进行结构分析，该流道由4 个孔道相交组成( 如图3 所示) ，其中有1 个输油端孔P，2 个工艺孔密封端D、E 及1 个出油端孔F。可以分解为由以下结构组成: 4 段短直管路( PA、AB、BC、CF) 、2个工艺孔容腔( BD、AE) 以及 3 个管道转向或分支结构( A、B、C) 。

　　2 液压集成块内部流道的数学模型

　　液压集成块内部的液流为粘性不可压缩流体，液流在直角管道转向处多数情况下为湍流流动，因此采用标准k - ε 湍流模型控制，具体控制方程^[3]如下:

　　( 1) 连续性方程:

式中，u，v 和 w 为速度矢量在x，y 和z 方向的分量。

　　( 2) 动量( Navier-Stokes) 方程:

式中，ρ 为流体密度; u_i为平均速度，i = 1，2，3; u_j为平均速度，j = 1，2，3; p 为瞬时压力; μ 为动力黏度; - 为雷诺应力项; S_i为源项。