液压锥阀内部流场的三维仿真计算及可视化分析

　　锥型液压阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件。它由于密封性好、过流能力强、响应快、抗污染能力强,已经获得广泛应用,特别在近年发展起来的插装阀、比例阀中,大都采用锥阀结构。但锥阀在工作过程中,流体在阀内部的流动情况非常复杂,这对锥阀的各种性能,包括通流能力、流体噪声、作用于流体阀芯上的液动力等都产生很大的影响。所以对实际应用中的液压锥阀内部流场进行准确的三维仿真分析,进而定量分析锥阀内部流道流场)))速度分布、流动的分离与再俯壁、漩涡的产生与消失等与流体噪声的关系,确定影响锥型液压阀特性的主要因素,对液压锥阀内部流道的优化设计具有重要的实际意义。

　　近年来,国内外的学者应用数值计算和可视化方法对液压阀内部流场和流动特性做了大量的研究工作。国内西安交通大学的曹秉刚教授早在1991年,用由积分方程与有限元方法结合而发展起来的边界元方法对锥阀内部流场进行了数值解析,并设计了专门的锥阀阀芯锥面压强分布与液动力的实验装置,对内流式锥阀液动力及阀芯锥面压强分布进行了实验研究[1, 2]。燕山大学的高殿荣教授用Galerkin有限元方法,对液压锥阀阀芯在不同的开口度等不同情况下的内部流场进行了数值计算[3]。浙江大学博士研究生高红采用RNGk-E湍流模型,仿真了锥阀阀口的气穴流动[4]。海军工程大学的练永庆等用Phoenics计算流体力学软件对液压锥阀内部的流场做了分析,并对流量系数进行了计算[5]。国外日本的Tetsuhiro Tsukiji等用涡量法对液压油用锥阀的内部轴向流动进行了数值仿真[6]。于可深等用流线坐标法对液压锥阀的流场进行了数值计算[7]。

　　但是,以上工作均是针对完整锥形的液压阀进行,忽略了阀套上的通油孔对液压阀内部流场的影响,将内部流场近似认为是轴对称,进而简化为二维模型进行研究,这与实际应用中锥阀的结构有差别。目前国内外还未见有针对锥阀实际结构进行流场分析计算的相关文献,因此考虑锥阀内部流道的不对称性、阀套与阀芯之间的通油孔对阀内部流场的影响,其仿真计算结果对深入了解锥阀内部流动特性,对锥阀结构进行优化设计更具指导意义。

　　在对用作主阀的液压锥阀流场进行仿真计算时,采用了与实际所用锥阀相同的物理结构和参数,建立了三维计算模型,应用计算流体动力学专用软件Fluent对主阀阀口在不同开口度、不同半锥角以及不同流量下的流场进行了仿真研究,并给出了流场可视化的计算结果。在此基础上,对锥阀的流量系数、阀芯上压强分布及液动力进行了分析。

　　1 研究对象几何模型

　　图1是所研究液压锥阀的结构原理图,它主要是由阀套和阀芯等组成的。流体首先通过节流口进入阀套上的6个通油孔,然后进入阀腔,再流向出口。