基于CFD的单向节流阀流场分析

　　1　引言

　　单向节流阀广泛应用于液压控制系统的调速和延时回路中,其既可以作单向阀使用,又可以作节流阀使用。稳态液动力(下称“液动力”)是影响单向节流阀性能的关键因素之一,不仅决定换向阻力,同时也影响单向节流阀的精确控制[1~3] 。

　　目前常规的动量定律分析方法,随着单向节流阀腔室结构的多样性和复杂性,已无法详细和准确地描述其动静态过程。而液动力的精确控制对单向节流阀的优化设计至关重要[4],特别在于衡量阀芯动态平衡上,以获得单向节流阀良好的动态静性能。因此,必须采用流场仿真的方法对液动力进行计算。此外,为了优化设计,对单向节流阀腔室内部流场的详细分析也是必需的[5-6]。

　　为此,本文采用计算流体力学(ComputationalFlu-id Dynamics, CFD)软件———Star-CD,对单向节流阀腔室3D流场进行详细的CFD计算,研究其流场主要特征参数(射流角、液动力和流量)的变化情况。

　　2　结构与原理

　　单向节流阀根据油液流动方向的不同,既可以作单向阀使用,又可以作节流阀使用,其结构如图1所示,主要由调节杆、止推、阀体、阀芯和弹簧组成,节流通道呈轴向三角槽式。

　　单向节流阀工作原理如下:

　　假设外界(液压泵或者液压阀)输出的液压油从通口Pj1流入,产生的油压力作用于阀芯左端面,克服复位弹簧作用在阀芯上的阻力,推动阀芯向右移动,打开节流阀阀口,油液通过径向孔从通口Pj2流出。油液从通口Pj1流到通口Pj2的过程中,油液不节流,可以自由通流,此时单向节流阀主要起单向阀作用。

　　假设外界(液压泵或者液压阀)输出的液压油从通口Pj2流入,需手动调节调节杆,以克服弹簧作用在阀芯上的阻力,使阀芯作轴向移动,打开阀口。此时,油液经阀芯上的三角槽和孔道,从通口Pj1流出。通过改变节流口三角槽的通流面积,以改变液阻,来控制通过节流阀的流量,实现微量调节。油液从通口Pj2流到通口Pj1的过程中,油液要节流,不可以自由通流,此时单向节流阀主要起节流阀作用。

　　3　模型及网格

　　对图1所示阀芯中位零遮盖的单向节流阀结构进行简化,得到其CFD计算模型,如图2。

　　由于单向节流阀阀腔结构圆周对称,因此只需对一半阀腔流道进行建模和网格划分。同时,因为单向节流阀阀口开度较小,其出口腔压力和速度的梯度较大,存在漩涡等复杂流态,故采用局部网格细化。而进口及阀口前区域为高压部分,压力等变化不大,故采用粗网格,如此也可大大减少计算时间。单向节流阀流场网格划分如图3所示,共划分160979个四面体网格。