锥形阀口滑阀的特性研究及流场数值模拟

　　滑阀是最常见的液压阀阀芯结构。滑阀阀口型式多样,常见的有沉割槽式全周开口形式、圆形、方形等,个别场合也用阶梯形、三角形、曲线形等异形阀口[1]。阀口的形状直接决定了其过流面积特性和阀腔内液体的流动特性。滑阀锥形阀口(如图1)因具有流量增益曲线平缓,在一定范围内线性度好,可减小滑阀换向液压冲击、振动等特点而在工程阀领域得到广泛应用。这种滑阀因兼有滑阀和锥阀的特点,不能直接应用以往对于普通滑阀和锥阀的研究结论。然而,阀口形式及阀腔结构直接影响流体流场在阀腔内分布规律,从而影响液压阀内的能量损失、气穴噪声以及液压阀的控制性能等[2-3]。基于以上原因,作者应用先进的CFD软件FLUENT对锥形阀口滑阀的过流面积特性、流量特性以及流场分布情况做了深入的研究,这将有助于对该型滑阀流量特性以及流场分布规律有一个更深层次的认识,并对滑阀设计起到一定的理论指导作用。

　　1　锥形开口滑阀阀口过流面积特性解析

　　据文献[1],结合图2,可知锥形阀口的过流面积

　　同时又指出x<<d时

　　A =πdxsinβ 　　(2)

　　可见,锥阀的过流面积与阀芯位移是在一定条件(x<<d)下才呈线性关系。但“x<<d”这个条件是比较模糊的。为了能更直观、深入地认识锥形阀口的过流面积特性,根据式(1),作者应用Matlab软件绘制过流面积与阀芯位移的函数曲线如图3示。其中,a=6mm,d=b=20mm,分别给出了β=π/10、π/15、π/20时的过流面积曲线。

　　可见,阀芯直径与阀芯位移在一定范围内取值时,滑阀锥形阀口的过流面积具有良好的线性度,且锥角β越小,其线性度越好。

　　2　锥形阀口滑阀流场数学模型的建立

　　2·1　流体力学控制方程

　　假设流体是不可压缩的,忽略重力的影响,列出流体在阀腔内的三维流动控制方程。

　　流量连续性方程

　　式中:ρ为流体密度,ux、uy、uz分别为流体速度沿x、y、z轴方向的投影,p为流体压力,ν为流体运动黏度。

　　三维不可压缩流体动量方程:

　　式中:p为压力值,x为坐标轴,i=1、2、3,j=1、2、3分别表示x、y、z3个空间坐标,μe为有效黏性系数,μe=μ+μi;μ为分子黏性系数,μi为紊流涡旋黏性系数。

　　2·2　k-ε紊流模型

　　在标准的k-ε两方程湍流模型中假定长度尺寸是扩散的,且湍流扩散尺度是各向相同的,k、ε的值可以直接从湍流能量和湍流耗散率的运输微分方程中得到。