基于Fluent软件的内流式液压锥阀液动力分析

　　液压锥阀是液压阀广泛采用的一种形式, 与液压滑阀相比, 液压锥阀具有很多的优点, 比如密封性好、过流能力强、响应快、抗污染能力强等等。特别是近年来, 插装阀的广泛应用, 使液压锥阀的应用得到了进一步的扩大。因此, 液压锥阀越来越成为液压领域研究的热点。

　　液压锥阀在工作中, 通过它的流体动量要发生变化,必然有液动力作用到阀芯上。液动力对阀的性能影响很大, 它不仅是设计控制阀所必须考虑的重要因素, 而且其方程还是分析一个使用锥阀的液压系统特性的重要基本方程之一。液动力不仅会影响阀的操作力, 使输入信号与阀芯位移关系变得不确定, 而且还可能造成阀的自激振动, 进而影响到整个系统的稳定性与可靠性。近几年来国内外学者对锥阀液动力也做出了大量研究。如文献^{[ 1] 、[ 3] 、[ 4]} 等。

　　本文主要介绍利用计算流体力学的基本方程对内流式液压锥阀流场解析, 然后对锥阀阀芯受力面的压力积分获得液动力, 从而观测内流式锥阀液动力的大小和方向, 这样就可以看出内外流式液压锥阀液动力的差异。

　　1 计算数学几何模型与网格划分^[2]

　　近些年来, CFD 有了很大发展, 替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法。特别是CFD 商业软件的出现, 大大推进了计算流体力学在实际中的应用, 我们这里采用美国Ansys 公司的Fluent 软件进行计算和分析。

　　Fluent 软件是基于有限体积法构架的CFD 商业软件, 是目前功能最全面, 适用性最广, 国内使用最广泛的CFD软件之一。有限体积法又称控制体积法, 基本思路是: 将计算区域划分为网格, 并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积; 将待解微分方程对每一个控制体积积分, 从而得出一组离散方程。Fluent 采用的通用控制方程如下:

　　式中, Φ 为通用变量, 可以代表u、v、w、T 等求解变量; !为广义扩散变量; S 为广义源项。所有控制方程都可经过适当处理, 将方程中的因变量、时变量、对流项和扩散项写成通用形式, 进而通过 Fluent 软件处理。

　　在这里我们采用插装阀阀芯作为研究对象, 其通径为16mm, 面积比为1: 2 ( 主要是为了能够实现双向打开) , 半锥角45°。因其锥阀体和阀芯均以阀中心线对称布置, 故可以假设流体只有轴向和径向流动, 无切向流动,考虑到流体在锥阀阀体内流动的对称性, 因此可以选取通过轴线的一个流体薄片, 进行分析其动态流动及动态液体压力。因此可以把轴对称的锥阀有限元分析转化为二维流体动力学分析, 如图1 所示。

　　在生成几何模型后, 接着要进行网格划分。划分过程总体上是通过前处理软件Gambit 自动完成的。我们采用四边形结构网格, 网格密度1.5, 通过Gambit 自动生成网格如图2 所示。网格中包括476 个单元, 568 个节点。在将网格导入求解器之前, 必须指明各个边界的类型以及区域类型。