电磁先导阀流动特性可视化模拟与分析

　　在煤矿综合开采工作面液压支架的电液控制系统中,电磁先导阀是关键元件之一,它的性能及可靠性直接影响着综合开采工作面的可靠性和安全性。到目前为止,我国尚未攻克本安型高水基电磁先导阀的设计及生产技术,因而对电磁先导阀的工作过程进行深入了解,为设计与优化提供有效的方法就显得十分必要。先导阀结构较为复杂,常常会遇到突扩、突缩、弯曲流道等。若设计不当,会加大流体流经这些区域所产生的漩涡、回流、脱壁和重新附壁等流动现象,从而造成过大的能量损失,产生热变形,降低使用寿命及工作性能。为加速电磁先导阀的设计和开发,作者以德国DBT公司生产的高水基电磁先导阀流场为例,就其流动特性进行了可视化分析,为降低实验研究费用,缩短研发周期提供了条件。先导阀结构简图如图1所示,三维几何模型如图2所示,三维模型的纵向中心切面如图3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Gam-bit2·1·6中生成网格,计算域内生成的网格如图4、5。为了获得较高的模拟精度,网格划分的密度较大,模型采用四面体单元,非结构化网格类型,共生成91 440个节点。生成计算域体积为4·477 256×10-7m3,最小网格体积为2·938 974×10-14m3,最大网格体积为9·491 306×10-12m3,最小面积域为9·720 058×10-10m2,最大面积域为1·067 428×10-7m2。此处均对阀体结构作了适当简化,未考虑加工的倒角与圆角等,以便生成的网格质量较高并提高迭代的收敛速度。

　　由于对先导阀进行的是静态分析,因而在建模过程中,对流体状态作了如下假设:模拟流体为不可压缩液态水,且假定水为牛顿流体,不考虑水重力的影响,计算中阀道内部无热传导现象,其相关参数见表1。考虑到阀道内复杂的几何形状,弯道较多,几乎所有的流动类型均为湍流,所以模拟采用了单相湍流模型,选择标准k-ε方程湍流模型封闭雷诺时均Navier-Stokes方程。进口速度为2·6 m/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, SIMPLE算法来耦合压力速度。对流项分别采用SecondOrderUpwind算法和一阶迎风格式来耦合压力速度,按照定常流动进行计算。求解器采用耦合显示法求解, FLUENT6·1·22软件奔腾4处理器进行迭代计算。