張 婧 王基生 張俊俊 宋紅文 徐 丹

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

錐閥是可移動(dòng)的錐形閥芯對(duì)流體流過(guò)截面進(jìn)行控制的閥，是液壓系統(tǒng)中重要元件之一，廣泛應(yīng)用于單向閥、溢流閥、減壓閥等各種液壓閥中。錐閥在工作過(guò)程中，流體在其中的流動(dòng)情況是十分復(fù)雜的，當(dāng)液體流經(jīng)錐閥閥口時(shí)，其動(dòng)量、方向、流速都在改變，必然影響到其內(nèi)部液壓力的變化，同時(shí)影響到閥的穩(wěn)定性從而影響到工作裝置的穩(wěn)定性［1－4］。所以，對(duì)錐閥流場(chǎng)的研究就顯得非常必要。

ADINA作為有限元軟件中的一種，在研究流固耦合問(wèn)題方面有其獨(dú)特的特點(diǎn)。進(jìn)行流固耦合計(jì)算時(shí)，需要分別在ADINA中建立結(jié)構(gòu)模型和流體模型，然后把兩個(gè)模型一起放到ADINA流固耦合求解器中進(jìn)行求解。

1 建立模型

1.1 幾何模型

在結(jié)構(gòu)上，閥一般由閥體、閥芯和驅(qū)使閥芯動(dòng)作的部件組成。錐閥作用類似旋塞閥，閥口開啟時(shí)處于工作狀態(tài)，閥口關(guān)閉時(shí)，閥芯與閥座孔之間為線密封，因此不僅密封性能好，而且動(dòng)作靈敏，閥口開啟無(wú)死區(qū)。

液壓錐閥有內(nèi)流式和外流式兩種類型，論文以外流式錐閥為研究對(duì)象，在AutoCAD，Pro/E軟件中分別建立了外流式錐閥的整體模型及二維、三維的流體與結(jié)構(gòu)固體模型。因?yàn)殄F閥結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的，所以進(jìn)行仿真分析時(shí)，流體和結(jié)構(gòu)固體模型只建了一半。如圖1所示。

研究不同情況下流體對(duì)錐閥的影響，需要建立不同情況下的模型。本文分別建立了開口度2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，開口度為 4 mm 時(shí)，入口速度為 0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s與閥芯錐角為 60°，90°，120°，150°流體模型和結(jié)構(gòu)固體模型。

圖1 錐閥流體和結(jié)構(gòu)固體模型Fig.1 Themodels of poppet valve’s fluid and structure solid

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體模型假設(shè)為牛頓流體、紊流狀態(tài)，忽略質(zhì)量力的影響。根據(jù)伯努利方程，密度的變化量可近似為，因?yàn)榱黧w本身的速度遠(yuǎn)小于流體的波速，密度變化趨于零，所以假設(shè)流體為不可壓縮流體。該理想不可壓縮流體的微分方程(歐拉方程)如下所示:

2 仿真條件設(shè)置

2.1結(jié)構(gòu)固體條件設(shè)定

錐閥以45號(hào)鋼為材料，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)固體材料參數(shù)Table1 Structure solid material parameters

二維模型以錐閥閥芯的中心線和閥體的外邊界線為約束邊界，三維圖形中以錐閥閥芯的中心面和閥體的外邊界面為約束邊界。設(shè)定流固耦合模型時(shí)，流體與固體同時(shí)設(shè)定耦合邊界條件。在劃分網(wǎng)格之前，先劃分網(wǎng)格密度。根據(jù)本文研究的內(nèi)容，模型的網(wǎng)格劃分類型屬于連續(xù)網(wǎng)格。二維模型網(wǎng)格密度設(shè)定為2，三維模型網(wǎng)格密度設(shè)定為0.005。以開口度為2 mm的結(jié)構(gòu)固體模型為例，二維結(jié)構(gòu)固體模型劃分了1 452個(gè)網(wǎng)格，三維結(jié)構(gòu)固體模型劃分出了17 959個(gè)網(wǎng)格。

2.2 流體條件設(shè)定

本文流體設(shè)定為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)常用的液壓油。液壓油的各個(gè)參數(shù)如表2所示。

表2 液壓油參數(shù)Table 2 Hydraulic oil parameters

流體模型特殊邊界的設(shè)定要與結(jié)構(gòu)固體的設(shè)定保持一致。流體模型邊界是對(duì)稱邊界，通常施加在兩邊對(duì)稱的流動(dòng)邊界上有個(gè)條件，這個(gè)條件是:

這個(gè)條件不需要參數(shù)，可以施加在二維的邊界線或三維的邊界面上。流體模型的特殊邊界條件設(shè)定完之后，二維圖形中的B，C邊界(綠色)和三維圖形中的B，C面邊界(綠色)即為流固耦合邊界。

在流體模型上需要施加兩個(gè)載荷，即進(jìn)口速度和出口壓強(qiáng)。當(dāng)開口度不同，進(jìn)口速度相同時(shí)，設(shè)置速度為0.1 m/s，出口壓強(qiáng)為大氣壓。當(dāng)開口度相同時(shí)，進(jìn)口速度分別設(shè)置為 0.05 m/s，0.10 m/s，0.15 m/s，0.20 m/s，0.25 m/s，出口壓強(qiáng)為大氣壓。

ADINA－F分別支持下列單元類型:2－D流體單元、3－D流體單元。需要注意的是，二維流體模型需要將元素類型設(shè)置為平面。

設(shè)定網(wǎng)格密度:同結(jié)構(gòu)固體一樣，不同的是，閥口附近區(qū)域速度梯度與壓力梯度較大，因此，流體模型在節(jié)流口處各加密10層，即網(wǎng)格密度是其他地方的10倍。模型的網(wǎng)格劃分類型屬于連續(xù)網(wǎng)格，二維和三維模型都選3個(gè)節(jié)點(diǎn)。以開口度為2 mm流體模型為例，二維流體模型劃分了2 329個(gè)網(wǎng)格;三維流體模型劃分出了52 904個(gè)網(wǎng)格。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 開口度不同

其他條件相同，對(duì)開口度分別為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的結(jié)構(gòu)固體和流體進(jìn)行仿真分析。在ADINA的后處理中分別得到了流體速度矢量圖、流體和結(jié)構(gòu)固體的壓力云圖及動(dòng)畫顯示。如圖2－圖4。通過(guò)對(duì)壓力云圖和速度矢量圖的對(duì)比，可以得到表3。

結(jié)合表3及壓力云圖、速度矢量圖、動(dòng)畫顯示，可以觀察到以下一些現(xiàn)象:(1)流體通過(guò)錐閥內(nèi)部時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。相同條件下，隨著開口度的增大流場(chǎng)內(nèi)的負(fù)壓區(qū)越小，閥芯受到的壓力也越小。當(dāng)液壓油流體通過(guò)閥芯時(shí)，由于過(guò)流空間突然減小，流速會(huì)急速增大。(2)在速度矢量圖中，可以看到流體通過(guò)過(guò)流斷面后，有主流與壁面相脫離的現(xiàn)象。而且，在流體通過(guò)過(guò)流斷面后，靠近錐閥閥體的一側(cè)與靠近閥芯一側(cè)產(chǎn)生了與流體流向相反方向的漩渦。隨著開口度的增大，靠近閥芯一側(cè)的漩渦逐漸減小，靠近閥體一側(cè)的漩渦變化不大。

圖2 開口度為8 mm的流體壓力云圖Fig.2 The fluid pressure cloud chartwith an 8 mm openning position

圖3 開口度為8 mm的流體速度矢量圖Fig.3 The fluid velocity vector chart with an 8 mm openning position

圖4 開口度為8 mm的結(jié)構(gòu)固體壓力云圖Fig.4 The structure solid pressure cloud chartwith an 8 mm openning position

表3 開口度不同對(duì)錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響Table 3 The effect of different openning positions on the cone valve interior flow field

3.2 不同入口流速

其他條件相同，開口度是4 mm，對(duì)入口流速分別為 0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s的錐閥結(jié)構(gòu)固體和流體進(jìn)行仿真分析。在ADINA的后處理中分別得到了壓力云圖、速度矢量圖和動(dòng)畫顯示。通過(guò)入口速度分別為0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s 壓力云圖和速度矢量圖對(duì)比，可以得到表4。

表4 進(jìn)口速度不同對(duì)錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響Table 4 The effect of different enfrance velocity on the cone valve interior flow field

結(jié)合表4及壓力云圖、速度矢量圖、動(dòng)畫顯示，可以觀察到以下一些現(xiàn)象:(1)由壓力云圖可以看出錐閥內(nèi)部的負(fù)壓區(qū)域，閥芯受到的作用力在開口度相同時(shí)，入口流速越大，負(fù)壓區(qū)也越大。(2)由速度矢量圖可以看出在錐閥流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的漩渦。當(dāng)其他條件相同時(shí)，在閥體內(nèi)部流場(chǎng)靠近閥體一側(cè)產(chǎn)生的漩渦和靠近閥芯一側(cè)產(chǎn)生的漩渦隨著入口流速增大，漩渦區(qū)變化基本不大。

3.3 不同閥芯錐角

其他條件相同，開口度是4 mm，對(duì)錐閥閥芯錐角分別是 60°，90°，120°，150°的錐閥結(jié)構(gòu)固體和流體進(jìn)行仿真分析。在ADINA的后處理中分別得到了壓力云圖、速度矢量圖和動(dòng)畫顯示。通過(guò)錐閥閥芯錐角分別是 60°，90°，120°，150°壓力云圖和速度矢量圖對(duì)比分析，可以得到表5。

表5 閥芯錐角不同對(duì)錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響Table 5 The effect of different conical amgles on the cone valve interior flow field

結(jié)合表5及壓力云圖、速度矢量圖、動(dòng)畫顯示，可以觀察到以下一些現(xiàn)象:(1)當(dāng)其他條件相同時(shí)，閥芯錐角逐漸變大，在閥體內(nèi)部流場(chǎng)靠近閥體一側(cè)產(chǎn)生的漩渦逐漸減小，靠近閥芯一側(cè)產(chǎn)生的漩渦也在減小但變化不大。(2)流體通過(guò)錐閥內(nèi)部時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。閥芯受到的作用力在其他條件相同時(shí)，閥芯錐角越大，錐閥流場(chǎng)內(nèi)部的負(fù)壓區(qū)減小，閥芯力先增大后減小，在90°時(shí)最大。當(dāng)液壓油流體通過(guò)閥芯時(shí)，由于過(guò)流空間突然減小，流速急速增大。

4 結(jié)論

(1)對(duì)錐閥進(jìn)行仿真研究時(shí)，二維模型與三維模型對(duì)錐閥內(nèi)部的流場(chǎng)的定性研究是相同的，得出的結(jié)論也是一致的。(2)流場(chǎng)內(nèi)觀察到的負(fù)壓區(qū)和漩渦與錐閥閥芯的開口度、入口流速及閥芯錐角都有關(guān)系。大量的仿真結(jié)果證明，閥芯的開口度、入口流速及閥芯錐角的大小對(duì)閥腔內(nèi)流場(chǎng)形態(tài)及壓力分布會(huì)產(chǎn)生較大影響，旋渦區(qū)域的壓力較低，容易產(chǎn)生氣穴。因而在閥內(nèi)流道設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的方法減小負(fù)壓區(qū)的面積，以達(dá)到減少氣穴的目的。

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