插装阀阀芯非定常流场的计算流体动力学分析

插装阀阀芯非定常流场的计算流体动力学分析

液压阀是液压阀的重要部件。用于网络系统的流量方向、流量和压力。其性能的优越性决定了该系统的使用性。对于液压阀而言,传统的研究方法主要借助于理论推导与实验研究。近年来,随着计算机技术和计算流体动力学(CFD,ComputationalFluidDynamics)理论的发展,针对液压阀内部流场的数值分析和可视化研究逐渐成为液压阀领域的重要方向之一。以往的数值模拟多局限于定常研究或直接给定阀芯运动速度为了探索液压阀瞬态流场特性,使阀芯在受力不平衡的状态下自行开启,受力平衡后处于稳定状态,笔者采用FLUENT中的动网格6DOF模型来模拟阀芯运动过程,避免了编写较为复杂的UDF函数。为了验证此方法的可行性,选用Valvistor阀作为研究对象,将阀芯作为运动实体,阀芯运动由其所受的流体力决定。1阀芯动力平衡方程Valvistor阀工作原理如图1所示。当先导阀口关闭时,主阀进油腔油液经反馈节流槽流入并充满控制腔,上下两腔压力相同,由于弹簧力及上下腔面积差作用,主阀处于关闭状态。当先导阀打开后,控制腔油液经先导阀流至主阀出口,控制腔压力下降,主阀芯向上移动;当流经反馈节流槽的流量与先导阀的流量相同时,达到稳态,主阀芯停止移动。阀芯动力平衡方程为:忽略阀芯与阀套之间的摩擦力及阀芯重力,因其相对于流体力较小。其中,当阀芯处于稳态时,若忽略复位弹簧刚度的影响,且因Valvistor阀则:当流场处于稳态时,通过主阀口的流量为:由式(5)可得:其中,面积梯度w2计算值的方法2.1先导阀口根据实际流域建立液压阀的流道模型,如图2所示。因不知先导阀的具体尺寸,无法对先导阀进行建模,因此,根据文中所使用实验数据,依据将先导阀阀口简化为小圆柱阀口。将小圆柱口的尺寸不断修改,并将多组稳态模拟结果与实验数据进行对比之后,确定先导阀阀口为直径1.1mm,高0.1mm的圆柱阀口,如图2中OUTLET-2.对于复杂几何体而言,生成六面体网格较为困难。为减少划分网格的时间,采用四面体网格进行网格划分。为了更好地捕捉液压阀的内部流场,对压力、速度梯度较大的局部区域进行网格细化。Fluent中的动网格技术需要确保拓扑结构不发生变化,运动物体不接触到边界,因动网格技术的此项限制,在阀芯与阀套之间有一个0.05mm的预开口量来确保流体域是一个整体。网格划分如图3所示,其中99.99%的网格质量高于0.35,可认为网格质量符合精度要求。2.2理想锥阀型假设对Valvistor阀进行解析计算时,对上述模型作如下假设:1)假设Valvistor阀为理想锥阀,即阀芯与阀套配合精确无径向间隙,且阀芯只有平移运动,没有旋转运动;4)忽略流体重力。2.3模型a:弹性光顺法+局部网格瞬态模拟采用标准k-ε湍流模型;进出口条件为压力边界,进口压力为4.25MPa,出口压力为0.7MPa;激活动网格6DOF模型。因本次模拟采用四面体网格,选定动网格更新方法为弹性光顺法与局部网格重构法;压力-速度耦合方式选用PISO格式;设置时间步长为0.001ms,仿真时间0.04s。2.46dof模型因阀芯的运动由作用在其上的流体力、阀芯重力以及其他力共同决定,其运动规律难以用简单的代数式给出。Fluent所提供的6DOF模型可计算物体在流体作用下的运动学特征(速度、加速度、力等),求出其运动轨迹。该模型将运动部件作为刚体,忽略其变形。为了计算阀芯在液压力作用下的运动姿态,在6DOF模型中采用UDF宏DEFINE3稳态液动力仿真图4为阀芯位移曲线,因阀口处有0.05mm的预开口量,且没有考虑先导阀突然开启的情况,所以位移曲线没有超调现象。由位移曲线可知,在阀芯开启的初期阶段,阀芯运动速度较大;随着开启过程的进行,阀芯运动速度逐渐减小;在0.02s之前阀芯已经趋于稳定,阀芯位移0.6605mm。图5为阀芯稳定后,主阀口处的流线图,由图可知,射流角约为51°.取C根据阀芯壁面压力分布,可以计算阀芯受到的稳态液动力。仿真计算得到的稳态液动力为75.9N。为验证本文计算方法,将仿真计算结果与理论计算得到的结果进行比较。由理论计算式(2)推导出的结果为82.3N,理论计算与仿真计算结果的相对误差为7.8%。由控制腔压力公式(4)可得:仿真计算得到的控制腔压力为2.3MPa左右,如图6所示。由以上计算可知,理论计算与仿真计算结果的误差较小,可以认为仿真计算结果与理论计算结果相互吻合。因此,该模型具有较高精度和可靠性,能真实模拟液压阀开启过程中的流动状态。4仿真计算结果受篇幅所限,以下分析只给出t=0.001s(S=0.12mm),t=0.01s(S=0.52mm),t=0.02s(S=0.66mm)时的仿真计算结果。4.1阀芯向压力变化图7为阀芯运动过程中不同瞬时的流场压力云图。t=0.001s时刻,阀口前端形成高压区,过流面积减小处形成低压区,此时阀芯下端面所受液压力大于阀芯上端面液压力,阀芯所受合力方向向上,向趋于打开方向运动;t=0.01s时刻,油液经主阀口流入阀腔,主阀口处压力迅速降低,在拐角处出现低压区;t=0.02s时刻,阀芯上下端面受力平衡,运动速度近似于0m/s,位移达到最大值。从图中可以看出,随着阀芯向上运动,阀芯位移逐渐增大,阀芯上下端面压力逐渐趋于平衡;不同瞬时,阀腔内的压力分布不断变化,但阀内最高压力、最低压力位置基本相同,压力分布规律相似;阀口处压力迅速降低,存在较大的压力损失;在阀芯锥部上下端与阀座拐角处的位置出现低压区,在高压环境下很容易产生气穴、气蚀现象。4.2阀芯呈现为小流速下的开口图8给出了Valvistor阀阀芯运动过程中不同瞬时的流场速度云图。从图中可以看出,不同瞬时,阀腔内的速度分布不断变化,但阀内最大速度位置基本相同,即阀口处、上节流口处与控制腔出口处;随着阀芯向上运动,开口量逐渐增大,相对流速高的区域有所扩大,流速高的区域贴着阀芯侧面流动,在阀芯下端面中部流速接近0的区域也在缩小。由不同瞬时的流场速度云图可看出,Valvistor阀内部流场前后对称,可简化为1/2模型,以减少计算资源;结合压力分布云图可以看出,最大流速所在区域也是压降最大的区域,同时流场内的最小负压值也位于附近。5计算结果分析1)利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent14.5进行了Valvistor阀三维瞬态流场仿真。结合瞬态模拟、动网格技术、动态方程,将阀芯位移、控制腔压力、阀芯受到稳态液动力的数值计算结果与理论计算值进行比较,结果表明,该液压阀模型建模正确,该方法具有较高精度和可靠性,能真实模拟液压阀开启过程中的流动状态。因液压阀的动态特性难以用稳态模拟获得,此方法对具有复杂结构的液压阀,在设计阶段进行性能评估具有重要意义,之后将利用此模型研究不同压差下