阀芯运动状态滑阀内部流场的可视化分析

　　引言

　　近年,越来越多的国内外学者,采用计算流体动力学(CFD)方法分析液压阀内流体的速度分布、压力变化、能量损失以及阀口的气穴现象^[1~5],目前的研究工作主要集中在阀芯处于某一开口的稳定状态。实际工作过程中,阀芯经常处于开启和关闭的运动状态,因此,液压阀阀芯运动过程中,其内部流场变化的可视化分析计算,对深入了解滑阀的工作机理,并从结构上优化非常有意义。文献^[6]曾对阀芯运动过程中液压锥阀内部的流场变化进行了计算研究。滑阀阀芯上作用的流体作用力,有轴向液动力和径向的不平衡力。目前对于稳态液动力的研究较多^[7],瞬态液动力研究工作较少,只有一些定性的分析^[8],本文通过可视化的手段对滑阀阀芯运动过程内部流场变化进行定量的分析。同时,对阀芯运动过程中进出口压差进行计算,对流量系数的大小和变化进行分析。

　　1 滑阀的几何模型

　　图1是滑阀的结构简图。主要尺寸为: a=7mm, b=5mm, c=4.5mm, d=6mm, D=11mm, w=6mm, e=15mm, x为阀口开度。由于阀流道内的几何模型较为复杂,所以采用设计软件Pro/E对研究对象进行建模。如图2所示。

　　2 网格划分和计算

　　2.1 网格划分

　　使用面向CFD的前处理器软件Gambit对滑阀内部流道进行网格划分,使用混合网格hybrid。考虑到计算机运行时间和存储容量,计算时使用半剖模型,在入口和出口处采用较粗网格。由于阀口处的节流作用,阀口附近的流速和压力梯度较大,需要对网格进行细化,划分网格后阀内部流场情况如图3所示。

　　2.2 边界条件和计算条件

　　流体与壁面接触的边界为静止壁面。进出口边界条件分别取为速度进口和压力出口。计算过程中对流体的流动状态做了以下假设:①流体为牛顿流体,不可压缩。②流动介质为液压油,运动粘度为29mm²/s。③流动状态为紊流,采用标准k-紊流模型。④出口压力取为0.15MPa,操作压力为大气压。

　　3 仿真结果及比较分析

　　对滑阀阀芯的开启和闭合过程,采用动态网格技术实现。阀芯运动后新的边界位置由Fluent自动执行更新,只需给定初始网格和使用用户自定义函数UDF定义运动区域的运动即可。UDF功能可以定义不同的阀芯运动速度和运动方向进行仿真计算。图4是阀芯速度为0.1m/s,流量为40L/min,阀芯运动过程中3个不同位置的示意图。

　　3.1 液动力

　　液动力是作用在滑阀上的主要轴向力之一,它的控制特性不但影响阀的操纵力大小,而且是造成阀不稳定的原因之一。液动力分为稳态液动力和瞬态液动力。