用ANSYS对海、淡水液压锥阀的流场解1.doc

用ANSYS对海、淡水液压锥阀的流场解析杨国来1 司国雷1 姬孝斌2 卢堃1（1、兰州理工大学流体学院，兰州，730050 2、兰州液压新技术研究所，兰州，730050）摘要：用ANSYS软件对海、淡水液压锥阀的流场进行解析，解析结果以可视化的速度场和压力场分布给出，从而针对锥阀过流特性的分析结果，对阀座和阀芯的结构进行改进将阀座与阀芯直接相接都改为圆弧过渡；改进结构后，明显减小了压力损失和阀内的最小负压值。研究结果对设计低消耗、低噪音海、淡水液压锥阀有一定的指导作用。关键词：水压传动；锥阀；流场；ANSYS中图分类号：TH137 文献标识码： 文章编号：Simulation of the Flow field Inside Raw Water Hydraulic Poppet Valve By Using ANSYSYang Guolai1 Si Guolei1 Ji Xiaobin2 Lu Kun1Abstract: The flow field inside the raw water hydraulic poppet valve is analyzed by Using the software of ANSYS ,then the results are given by visualizing pictures of the velocity and pressure field. The structure of the Poppet Valve core and the poppet valves seat are optimized to be arc-linked at their direct connection according to analyzing result of the flow characteristic, the optimum structure obviously reduces the pressure drop and the minimum negative pressure greatly. The result of the research can give a guide for designing low consumption, low noise raw water hydraulic poppet valves。Keywords: Water hydraulic; poppet valve; Flow field; ANSYS海、淡水液压传动技术是液压领域的前沿发展方向之一，它具有环境污染小、清洁安全、资源充足等优点，但也存在润滑性差、防泄露差和易腐蚀等问题，尤其间隙泄露大，严重降低了传动效率，影响了水压系统的应用和发展，因此，自20世纪80年代以来，世界各发达国家竟相开展水压传动技术的研究开发工作，日本、美国、欧共体等均成立了专门的水压传动委员会，目的是集中力量进行水压传动基础技术的研究，开发出高性能的水压元件和系统，并且目前也伴随着可持续发展和实施绿色制造的需要，所以必将促使水压传动的崛起和迅速发展。海、淡水液压阀是构成海、淡水液压系统不可缺少的控制元件，由于水的理化性能不同于油，与液压油相比，水的粘度低、密度大、声速高、压缩性小，在同样的流道和工况下，流体表现出不同的过流特性。但是，由于目前我国CAD、CAT和CAM技术的应用处于初级阶段，产品设计还处于经验、静态设计阶段。FEA、模拟仿真技术和可靠性技术有待进一步推广等。因此，开发液压传动和控制技术的发展方向是：运用数值计算技术、FLUENT软件或ANSYS软件的可视化分析来优化流道结构，从而减少能耗、减少噪音，提高性能，提高设计和试验水平等。目前国内海、淡水液压控制锥阀存在的主要问题是：内部流道能量损失大、效率低、噪音大和寿命短的缺点。本文用ANSYS软件对之进行可视化解析（速度分布、压力分布，旋涡的产生与消失等），进而定性确定内部流道的流场与流体噪音、能量损失机理等的关系， 从而确定影响水压锥阀性能的主要因素，为开发和设计高效、低能耗、低噪音、低腐蚀的海、淡水液压锥阀奠定了理论基础，具有重要的工程意义。1、 ANSYS分析的模型及解析假定锥阀在使用中根据流体流入流出方向不同，分为外流式（Diverged Flow）与内流式（Converged Flow）两种，外流式是水流的方向是从左向右，而内流式的水流方向与此相反。本文分析的模型是外流式锥阀，阀口mm为例进行研究。图1 外流式液压锥阀结构简图ANSYS分析模型流体在锥阀中的流动实际上是轴对称流动，考虑到流动的特性，用二维且流动区域的一半作为我们的研究对象。本文建立了两种ANSYS的模型：一种为常规的模型；另一种为改进的模型。用ANSYS划分网格，在ANSYS软件中，在mesh tool工具栏中将1区域和3区域Size Element edge length 设定为0.2，然后用preprocessor-mesh tool-mapped对之进行网格划分；又因为1区域属于阀口节流面附近流速、压力变化比较大、形状不规则的区域，所以在mesh tool工具栏中将2区域Size Element edge length 设定为0.1，同样再用preprocessor-mesh tool-Smart Size工具对2区域进行网格划分，特别给予细化。图 2 用ANSYS分析的常规模型的结构参数为了便于看清划分后网格形状，特将网格的尺寸放大10倍，划分如下：图3 流动区域模型的网格划分为了减小能量损失和流体噪声，将阀芯与阀座的结构改变如下：图4 改进后的锥阀的结构简图ANSYS分析模型的参数设定：在本文中，对阀的研究是静态的；且在用ANSYS软件对水压锥阀进行研究中，要求对参数进行设定：选取水作为流动介质，其密度为998.2Kg/，动力粘度为0.001Pas。 此模型中的雷诺数Re=vD/=72000，远大于临界雷诺数，因此水流在锥阀内的流动状态是紊流，故在ANSYS参数设定中将Solution-FLORTAN Set Up-Solution Option-TURB Laminar or Turbulent?设定为Turbulent。 设定模型的边界条件：入口的流量为40L/min，即：水流的速度大小约为6m/s，出口压力为大气压。图5 常规模型的锥阀的加载图改进后锥阀的的速度和压力的加载图可以参照锥阀常规模型的加载模式。2、用ANSYS进行的流场分析通过ANSYS可以得到锥阀的流场的速度分布和压力分布： 常规模型的速度分布 改进后的速度分布 常规模型的压力分布 改进后的压力分布 图6 锥阀改进前后的速度、压力分布分析结果： 根据图6中可以知：在锥阀的阀座拐角处，因为流体本身具有粘性，所以在主流的带动下就会开始旋转，从而产生涡旋，这样在主流中吸取能量，产生能量的损失，降低能量的利用率，同时也可以看的出 ，在阀芯的拐角处产生涡旋现象，增加了流体的噪声；并且也因为速度的变化率变化过大，所以阀芯受到了很大的稳态和瞬态液动力；但是从中可以看出来，改进后的模型，明显在阀腔内上拐角出的涡流现象被减小,从而明显减小了能量的损失，也降低了流体的噪声。根据图6中可以知：常规的锥阀模型在阀腔内上拐角和小拐角后面产生了很大的负压区，因此容易在这个位置产生气蚀现象，但经改进模型后，会发现上拐角和下拐角的负压区基本全部消失，这样就可以减小了气蚀现象的发生。3、结论：通过用ANSYS对外流式锥阀模型的分析，可以得到下面的结论：海、淡水液压锥阀的阀座拐角处，是容易产生能量损失和流体噪音的地方。能量损失的大小和流体噪音的大小与是否有涡旋有关， 改进后的模型产生了较大的能量扩散，从而可以消除旋涡，不仅减小了能量的局部消耗 ，而且也实现了对阀内噪音的控制。对阀座和阀芯的结构的改进，不但减小了能量的损失和气蚀现象的发生，而且也减小了速度的突变，从而减小了阀芯所受液动力的大小。用ANSYS软件对阀的流道进行可视化研究，可以减小了对阀的结构优化的周期。参 考 文 献1 李运华，史维祥。流体动力技术的现状与发展。机床与液压，1994（4）：187-1932 柯坚。现代水压驱动技术M，西南交通大学出版社，20023 高殿荣，王益群。液压控制锥阀内流场的数值模拟与试验可视化研究J。机械工程学报，2003（4）：6