液压锥阀内部流场的CFD动态仿真

　　0 引 言

　　液压锥阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件, 锥阀通流能力强、密封性好、抗污染能力强、能量损失小, 特别是采用插装技术易实现模块化、集成化, 在液压技术中被广泛应用。对其特性的研究和结构参数的优化, 是液压技术中重要的研究方向。随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展, 应用 CFD 方法, 对液压阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析, 成为液压技术领域新的研究热点, 研究工作对阀的结构参数设计和流道的优化设计具有重要的实际意义。

　　近年来国内外学者对锥阀内部流道的流动情况进行了许多研究。国内用有限元方法, 建立了二维模型,对锥阀内流场进行了数值模拟, 并用 DPIV 流场试验可视化技术进行了实验可视化研究[1][2]。对水压滑阀流场进行了 CFD 解析, 给出了可视化的速度场和压力场解析结果[3]。结合 CFD 与 PHOENICS 计算流体力学软件对液压锥阀的流量系数进行了计算[4]。用有限元方法建立了锥阀式结构的数值模拟, 计算中取通过轴线的一个流体薄片转化为二维模型, 进行流体动力学分析, 得到了锥阀工作过程中流体在阀内部的流函数曲线分布[5]。国外, 给出了不同阀芯形状的阀内部流场的流体压力特性和流量特性以及阀节流口的最低负压曲线, 并通过试验验证了 CFD 仿真结果[6]。应用二维涡量法和轴对称涡量法分析了锥阀内部的流动[7]。

　　以上这些研究工作, 仿真分析时都是假设阀的开口度固定,阀芯处于静止不动时的状态。但是在实际工作时, 阀芯往往是处于开启或闭合的运动过程中。因此深入了解锥阀在实际工作过程中的内部流场分布情况, 阀芯受力情况, 具有更重要的意义。

　　本文通过编写 UDF 函数实现动网格功能, 针对内流式锥阀, 对阀芯以不同的速度开启和闭合过程进行了仿真。

　　1 研究对象几何模型

　　图 1 是从不同角度看到的三维模型流场区域的计算网格, 从图中可以看出, 三维仿真考虑了阀套和阀芯间的通油孔和出口弯管的影响。

　　2 边界条件设置和计算模型选取

　　本文设置的过界条件和选择的计算模型如下: 流体与壁面接触的边界为静止壁面。进出口边界条件取为速度入口和压力出口。流体为不可压缩、牛顿流体。流动状态为紊流, 计算模型采用标准 k～ε紊流模型,unsteady(非稳态)模型。

　　3 仿真结果及分析

　　(1) 相同边界条件, 阀芯不同速度时的仿真结果见图 2 和图 3。

　　从图 2, 图 3 可以看出: 1) 当阀芯运动速度大小不同时, 内部流场的压力分布基本不变, 最低负压值也基本相同。2) 速度矢量分布基本相同, 节流口最大流速几乎一样大, 但是从速度矢量图中可以看出, 阀芯运动速度大时, 在阀套拐角处的漩涡有些增大。