纯水液压锥阀结构的优化设计与流场的数值分析

　　1 前言

　　随着人类对环境要求的提高和重视,广泛应用于机械行业的油压元件及系统由于泄漏而造成了大量的环境污染,因而当今用水代替油作为工作介质倍受液压同行的普遍关注。20世纪90年代末,水压技术在基础理论方面的研究和在元件的开发上取得了一定的成绩,并在医疗、海洋、森林、食品加工等方面得到了广泛的应用。为加速水压控制系统中的关键组件)))纯水液压锥阀的设计和开发,本文对常规结构和改进后的结构的锥阀进行了数值分析,为缩短研究开发纯水液压锥阀的周期、减少实验费用提供了条件。

　　2 纯水液压锥阀的模型与计算条件

　　1)锥阀的基本模型

　　锥阀按使用情况分外流式和内流式两种:内流式的水流流动方向是从上阀腔流入从下阀腔流出,如图1a所示;而外流式的水流流动方向则与此相反,即从下阀腔流入从上阀腔流出,如图1b所示。

　　模型的建立需遵循两个原则:即物理的真实性和数学计算的可行性。物理的真实性要求所选择的物理模型尽量反映计算对象的本质,数学计算的可行性是指模型必须简化至目前数学工具能解决的程度和计算水平能达到的能力。

　　由于锥阀结构型式繁多,而且具体尺寸也是根据实际应用情况所定,没有统一的规格,因此本文仅对锥阀阀口最基本的结构进行建模,图2为常规模型的尺寸设置。图2所示的流动区域作为求解区域,建立计算所需的CFD锥阀模型,锥阀内的实际流动应该是三维的,但考虑到流动的特性及计算机容量,将阀内流动近似为二维流动,根据锥阀内流动对称性原理,只取流动区域的一半作为计算对象。

　　本文中建立了锥阀的两种CFD模型,一种为常规模型,另一种为将阀芯锥面柱面改为圆弧过渡并且在锥阀的阀芯头部加一个凸台,常规模型的结构参数如图2所示。先在GAMBIT将模型建立,在SOLVER下拉菜单中选择FLUENT4 ,然后选择SPACING将其设置为0.2mm对流动区域均给予细化。其他模型设置与之相同。

　　改进后的模型圆弧半径R=10mm,凸台长度为8mm,半径为4mm,其他条件不变。

　　2)计算条件

　　由于对水压锥阀进行了瞬态分析,因而需要对其进行必要的条件假设:

　　流动介质为水(H2O),其条件参数参考表1。

　　假定水为不可压缩流体。由于水的压缩性是非常小的,压力每增加101.3kPa(1个大气压)时,其体积变化不到0.01%,因而在计算中完全可以忽略压缩性的影响,按不可压缩处理。

　　假定水为黏性牛顿流体。即水的动力黏度L是恒定的,不随速度梯度的变化而变化。