直角弯管流道流场的数值模拟与分析

　　1 引言

　　在液压系统中存在着各种流道,简单的流道如长直管,复杂的流道如分岔管、直角弯管、节流流道、突扩管等。当流体在这些管道内流动时,会产生2种能量损失:一种是由于流体的粘性和管道粗糙而引起的沿程能量损失,另一种是由于局部障碍,如分岔管分岔处、直角弯管的弯头、阀门等处产生的局部能量损失。由于流线本身所具有的特殊性质,使得流体在流经这些局部障碍处时,会产生流动的分离和再附现象。流动的分离会引起涡旋,从而引起压力降和能量损失。

　　2 直角弯管流道流场的计算

　　液压系统中直角弯管管道比较多,从而导致流场结构复杂,能量损失增加,图1所示为某液压系统中的直角弯管管道的结构简图。

　　对直角弯管进行数值模拟,必须对流动区域进行网格划分,流动区域网格节点的多少以及疏密分布,应根据数值给出的求解精度要求以及流场参数变化梯度大小来决定。一般情况下,网格节点数愈多,求解精度愈高;流场参数变化梯度大的区域应该布置更密的节点,以分辨出流动变化的细节。最终得到的数值解应该满足网格无关性要求。本文将流动区域网格划分为456个单元, 575个总体节点,如图2所示。

　　给定进口速度v=8m/s,出口压力p=10102MPa,运动粘度取M=30@10^-6 m²/s,进口直径d=12mm,则雷诺数为

　　由于计算得到的雷诺数Re大于临界雷诺数2320,所以该流动状态为紊流,在流场的计算中应用标准k-E模型方程进行数值模拟。图3为速度矢量图,图4为流线图谱,图5为压力轮廓图。

　　分析图3和图4可以看出,由于流线是1条瞬时光滑曲线,它不能转折,也不能相交,所以在流道的直角拐弯处就形成涡旋,并且由于流体流动存在惯性,在铅直方向的流道上还存在流动的分离和附壁现象,从而产生流动的能量损失和流体噪声。根据可视化结果,可以分析确定在某一结构尺寸下,流体流动时所产生涡旋的大小和位置,可据此选择合适的管道长度,减少涡旋对流体流动的影响。从图5可以看出压力分布情况,入口压力较大;由于存在局部阻力损失和沿程阻力损失,出口压力减小。

　　通过计算得到进油口速度与管道两端压力差之间的曲线,图6a为管道内流体在层流状态下进油口速度与管道两端压力差之间的曲线,图6b为紊流状态下进油口速度与管道两端压力差之间的曲线。从图中可以看出,在速度不同的情况下,进出油口压力差随进口速度的增加而增大,由此可知能量损失随着速度增加而增加。