矿用电磁先导阀受力特性可视化模拟与分析

　　引 言

　　煤矿综合机械化采煤工作面采用的液压支架电液控制系统中, 电磁先导阀是关键的元件之一,它的性能及可靠性直接影响着综采工作面的可靠性和安全性。迄今为止, 我国尚未攻克本安型高水基电磁先导阀的设计以及加工制造技术。先导阀结构较为复杂, 常常会遇到突扩、突缩、弯曲流道等情况。流体流经这些复杂流道处会产生漩涡、回流、脱壁和重新附壁等流场现象。若设计不当, 会造成能量损失过大, 进而产生热变形, 降低使用寿命及工作性能, 从而直接影响整个系统的运行。为此, 深入了电磁先导阀的工作过程, 为它的设计与优化提供有效的途径就显得十分必要。

　　随着计算机技术与计算流体动力学的发展, 在阀的设计中, 流场数值模拟受到了重视。它不受模型尺寸、流场的扰动以及人身安全与测量精度等的限制, 可有效缩短设计周期, 降低设计费用, 还能够克服物理实验的一些弱点。通过这种数值模拟, 可得到流场内各个位置上的基本物理量 ( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布, 以及这些物理量随时间的变化情况, 以便确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区, 形象地再现流动状态等。此外, 联合 CAD 还可进行结构优化设计。

　　本文以德国 DBT 公司生产的高水基电磁先导阀流场为例, 对其二维流场进行了模拟。先导阀插装组件结构简图和几何模型图, 如图 1、2 所示。

　　1 网格划分和计算条件

　　将建好的几何模型导入专业网格生成软件Gambit2.1.6 中生成网格, 计算域内生成的网格如图3。为了获得较高的模拟精度, 加大了网格划分的密度, 并采用四边形单元、非结构化网格类型, 共生成了 10618 个节点。生成的计算域体积为 1.354×10^-4m³,最小网格体积为 5.18×10^-9m³, 而最大网格体积为 2.233×10^-8m³, 最小面积域为 6.503×10^-5m², 最大面积域为 2.236×10^-4m²。此处, 对阀体结构作了适当简化, 未考虑加工的倒角与圆角等, 以便生成质量较高的网格并提高迭代的收敛速度。

　　模拟采用了单相的湍流模型, 选择标准 K- ε方程湍流模拟流体为不可压缩液态水, 且假定水为粘性牛顿流体, 未考虑水重力的影响, 计算中在阀道内部无热传导现象。其中, 流体水的相关物理特性见表 1, 进口速度为 2.6m/s, 出口压力为 20MPa, 边界区域采用标准壁面函数来计算近壁面网格上的各物理量。初始化流场从入口计算, 采用有限体积法建立离散方程以及用 SIMPLE 算法来耦合压力速度。对流项采用一阶迎风格式, 按照定常流动进行计算。Fluent 6.1.22 软件在奔腾 4 处理器上迭代约 125 次达到收敛。