节流阀的fluent仿真

1、 浦川彳？ 7 乂孕 流场仿真结课作业 新型节流阀的流场数值分析 姓 名 郑文靖 学 号 132085206011 学 院 能源与动力工程 专 业 动力工程 2021年7月7日 新型节流阀的流场数值分析 摘要：节流阀广泛应用于液压控制系统中， 对其阀腔内部的流场进行详细的分析， 尤其 是液动力的精确预测，对节流阀的优化设计至关重要。该文采用计算流体动力学 CFD 的方法对一般节流阀建立 CFD流体动力学模型，分析其压力分布以及速度分布，优化其结 构形式，并对该改良后的新型节流阀内的流场进行分析， 与一般节流阀的流场情况进行比拟， 得出新型节流阀油液在阀腔内更平缓，增加了其寿命。 关键词：节流阀

2、；流场；CFD Abstract: The throttle valve is widely used in the hydraulic control system, the valve internal flow field of a detailed analysis, especially in the fluid power of accurate prediction, is of prime importance in the optimization of throttle valve design. This paper adopts the method of comput

3、ational fluid dynamics CFD .CFD fluid dynamics model is established for the average throttle valve, and analyzes the pressure distribution and velocity distribution, optimizing its structure, a new type of throttle valve and the improved within the flow field were analyzed, and compared with general

4、 flow field of throttle valve, it is concluded that the new throttle valve oil in the cavity is more gentle,and it can increase its life. Key words: throttle valve; flow field; CFD 1引言 节流阀广泛应用于液压控制系统的调速和延时回路中，稳态液动力 下称“液动力是 影响单向节流阀性能的关键因素之一， 不仅决定换向阻力，同时也影响节流阀的精确控制 1。 目前常规的动量定律分析方法 ，随着节流阀腔室结构的多样性和复杂性，

5、已无法详细和 准确地描述其动静态过程。而液动力的精确控制对节流阀的优化设计至关重要 2,特别在于 衡量阀芯动态平衡上，以获得单向节流阀良好的动态静性能。因此 ，必须采用流场仿真的方法 对液动力进行计算。 此外，为了优化设计，对单向节流阀腔室内部流场的详细分析也是必需 的 3。 为此，本文采用计算流体力学 Computational Fluid Dynamics , CFD软件对固定节流阀 以及改良后的阀腔室 3D流场进行详细的 CFD计算，研究其流场主要特征参数 射流角、液 动力和流量的变化情况。 2模型建立及网格划分 在一般使用中，固定式节流阀普遍是截面突然缩小的形式，先对它进行分析 ；为了

6、提高 节流压降，随后设想对固定式节流阀进行改良， 使节流阀由一系列的突变形状组成， 再对新 的流道流场进行分析。 2.1固定式节流阀模型 对于固定式节流阀的结构几何模型有如图 2-1的结构形式取一半，是固定式节流阀 的最普遍的一种，流体流进一个截面突然缩小的通道，流速增大， 压力降低。它相当于一个 小孔喷嘴。流体从阀前的主管道流进，再进入阀腔，通过阀芯与阀座的环形流道， 流入阀后 的下一主管道直径同阀前。这里，我们只关心流经节流阀的流场，故所取的控制体是包括 节流阀的一段局部结构。 流体在流进、流出节流阀的过程中，先是遇到一个突然扩大的流腔， 在流腔中高速回漩， 再流经阀芯与阀座形成的节流喉口

7、， 最后流经一段扩大的短流道后再流入下一级主管道。 在 这一局部复杂的流道中， 有突然扩大的区域，急剧缩小的节流口， 流动方向的急剧改变等流 道变化复杂区域，流动现象难以把握。故采用 CFD软件进行数值模拟研究。 图2-1突然缩小的节流阀结构形式 图2-2固定式节流阀的网格模型 2.2网格划分 对图2-1所示的节流阀结构进行简化，得到其 CFD计算模型。由于节流阀阀腔结构圆 周对称，因此只需对一半阀腔流道进行建模和网格划分。同时，因为节流阀阀口开度较小， 其出口腔压力和速度的梯度较大， 存在漩涡等复杂流态， 故采用局部网格细化。 而进口及阀 口前区域为高压局部，压力等变化不大， 故采用粗网格，

8、如此也可大大减少计算时间。 固定 式节流阀流场网格划分如图 2-2所示，共划分55497个四面体网格。 2.3边界条件和计算条件 边界条件：左边边界为流体入口，给定入口边界条件为压力入口 5MPa,入口处的紊流 强度按来流的5%取值，右边边界为压力出口。其它固壁边界按无滑移边界处理，各种流动 参数置为零。 在计算过程中对流体的流动状态做了如下假设： 1 流体均看作不可压缩，恒定的牛顿流体即速度变化时，动力粘度不变 ； 2 运动介质为液压油，油液的密度为 889kg/m3,动力粘度0.02Pa，S; 3 在计算时选用了标准的 k两方程紊流模型。 2.4 CFD结果分析 根据理论分析的经验公式 2

9、 Pv P =匕 - 2 式中：E 一流阻系数； P一进出口压差； P一密度； v一局部阻力下游处的平均流速。 通过计算，压降值约为 3MPa。 通过Fluent计算后得出固定式节流阀的压力分布及速度分布，如图 2-3和2-4。根据 处理发现，在收缩段，很少看到流动的别离， 在收缩段中，压力下降，速度显著地增大。 由 此看出根据CFD软件计算出的值与经验计算值相差甚小，在工程计算允许的范围之内。 pfHiue 13E*5 t t 1 12WF t 1E*W tME叫 T t 02E*OF te or 幡74 图2-3固定式节流阀的速度云图 图2-4固定式节流阀的压力云图 velDDly-rna

10、Tutuife IB It U 12 ID 3固定式节流阀的优化 由于目前的固定式节流阀形式的流动阻力达不到所需的要求， 必须改良它的设计。当系统中存在多个局部管件时， 那么可认为个局部损失各自独立而互不相关， 简单相加。根据上述理论我们设想将节流阀的几个局部管件连接起来, 的影响段范围内。这样通过该结构的流动阻力势必很大 4。 3.1改良后的结构几何模型与网格模型 图3-1是改良后流道变化复杂的固定式节流阀的几何结构三维图。 何体进行网格划分，其网格模型如图 3-2所示。 图3-1新型节流阀的几何结构模型 图3-2新型节流阀的网格模型 3.2优化结果分析 依据流体力学和紊流理论，流体压头的损

11、失主要由突然缩小的损失、扩大的压力损失、 漩涡产生的损失三局部组成。不能提供更大的阻力，故 假设个管件的相隔距离大于相应的影响段， 因此总局部损失为各局部损失之和， 否那么，不能 并且相隔距离在相应 由对称性，取一半几 图3-1速度等值线云图 通过速度等值线云图(图3-1),我们可以发现，在流动方向的截面上，速度遵从紊流的 通用速度分布规律(紊流高速区域)。在截面突然扩大的两个区域，无论在 x方向还是在y方 向的压力图(如图3-2)上，我们观察到：都产生了漩涡，能量损失严重。从以上的三维分析可 以看出随着节流孔径的增大，压降越来越小，当孔径增大到一定程度 (如22以上)，压降变 化越不明显，也

12、就是说此时该新型节流阀节流效果很小了。 随着孔径的缩小，压降急剧的上 升。通过计算模拟，利用拟合曲线我们得出了当流量确定的情况下， 该新型节流阀的压降与 小孔直径d的近似关系式如下： P=1467148.68/d (2D) P=1678754.89/d 4.3 (3D) 从上式可以看出，阀前后的压差 P随孔径的增加而急剧的减小， 与孔径的乘藉成反比。 另外，从上述的比拟分析可以看出，结果很符合实际流动情况。 4结论 从分析中，可以知道，由多个局部阻力构件组成的这种新型固定式节流阀，能提供比 单个局部阻力管件提供大得多的节流效率。 要想增大通过节流阀的流动阻力， 应尽量将多个 局部阻力构件紧密的

13、连接在一起，使流道变化得急剧和突然， 以到达节流效果。相反， 假设想 减小流动损失，那么应防止将相邻局部元件布置在其影响段范围内。 参考文献: 1 冀宏，傅新，杨华勇.非全周开口滑阀稳态液动力研究 J.机械工程学报，2003, 39(6): 13-17. 2 冀宏,王东升，丁大力，等.非全周开口滑阀阀口面积的计算方法 J.兰州理工大学学报， 2021, 34(3): 48-51. 3 曹秉冈IJ ,史维祥，中野和夫.内流式锥阀液动力及阀芯锥面压强分布的试验研究 J.西 安交通大学学报，1995 (7): 7-13. 4 AmiranteR, DelVescovoG,LippolisA.A flow forces an