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(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116; 2.浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027)

引言

節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)中起到流量控制等重要作用。但是當(dāng)閥內(nèi)流體與過流部件發(fā)生高速相對運(yùn)動時(shí)，極易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，破壞流體的連續(xù)性，使流場特征更加復(fù)雜，并影響節(jié)流閥的使用性能和壽命[1]。此外，空化形成的氣泡在流經(jīng)壓力恢復(fù)區(qū)時(shí)，會發(fā)生潰滅，引發(fā)諸如材料損傷、振動、噪聲等問題[2]。因此， 對節(jié)流閥

內(nèi)部流動特性開展相關(guān)研究對節(jié)流閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論意義。

隨著液壓技術(shù)的興起、液壓技術(shù)自身發(fā)展需求和流場仿真及檢測技術(shù)的提高，針對液壓元件及系統(tǒng)開展更多深入研究是一種發(fā)展趨勢。 隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展,特別是計(jì)算流體動力學(xué)的發(fā)展,對閥體進(jìn)行流場數(shù)值模擬成了目前對控制閥進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化的重要手段。閆登強(qiáng)等[3]對傳統(tǒng)的閥體與閥芯結(jié)構(gòu)提出了幾種改進(jìn)方案,應(yīng)用Fluent對其內(nèi)部流場及壓力場進(jìn)行分析,并與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比，對改進(jìn)閥座、閥芯的結(jié)構(gòu)有很大的參考價(jià)值。于今等[4]建立了板式節(jié)流閥的三維模型，運(yùn)用CFD仿真軟件對節(jié)流閥內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并指出閥芯處的氣蝕以及閥出口處的漩渦流對閥工作壽命的影響。冀宏等[5]解析推導(dǎo)了三種典型閥口過流面積，并分析了閥芯移動過程中發(fā)生的閥口遷移現(xiàn)象。晏靜江等[6]針對各參數(shù)對液壓滑閥流場影響的不確定性，建立了U型節(jié)流槽液壓滑閥計(jì)算流體動力學(xué)三維模型，分別從閥口開度、槽口深度和工作壓差三個(gè)方面對該模型進(jìn)行分析，得出液壓油速度場分布以及高速射流區(qū)域的形狀和大小的變化趨勢。楊國來等[7]運(yùn)用Fluent軟件研究了節(jié)流閥小開度，即開度介于0.04 mm和2 mm 之間的工況下的流場特征和最小穩(wěn)定流量之間的關(guān)系。

上述工作都是在開度較大或開度間隔較大情況下對流場特性進(jìn)行研究討論，在小開度下的U型節(jié)流閥內(nèi)部流場特性的研究少有報(bào)到，本文基于Comsol有限元分析軟件對U型節(jié)流閥進(jìn)行三維數(shù)值仿真，研究開度細(xì)微變化下節(jié)流閥體內(nèi)部流場特征。研究結(jié)果可為優(yōu)化閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長閥體的使用壽命提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 COMSOL軟件介紹

COMSOL Multiphysics作為一款基于全新有限元理論， 直接針對偏微分方程為研究對象的大型數(shù)值仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，適用于模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程。

COMSOL Multiphysics軟件核心包中集成了大量的物理模型，它們針對不同的物理領(lǐng)域：聲學(xué)、熱傳導(dǎo)、AC-DC、電磁場、靜電場、靜磁場、不可壓縮流體、結(jié)構(gòu)力學(xué)、波動方程、廣義偏微分方程等。這些模塊都有各自的方程，可以單獨(dú)使用一個(gè)模塊的方程對物理模型進(jìn)行模擬計(jì)算，也可以根據(jù)不同的需要，從多個(gè)模塊中選不同的方程組合起來對模型進(jìn)行計(jì)算。另外，可以結(jié)合不同的模型，自己創(chuàng)建偏微分方程對模型進(jìn)行求解。COMSOL Multiphysics以高效的計(jì)算性能和杰出的多場直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了任意多物理場的高度精確的數(shù)值仿真，在全球領(lǐng)先的數(shù)值仿真領(lǐng)域里得到廣泛的應(yīng)用[8]。

1.2 數(shù)值模型

本研究使用COMSOL的湍流模塊建立U型節(jié)流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。a為流道模型剖視圖，b為該閥芯模型三維圖，該節(jié)流閥閥芯上下各有一個(gè)U型節(jié)流槽。流體從入口流入，經(jīng)臺肩上的U型節(jié)流槽由出口流出。圖中固定節(jié)流槽口長度為1.75 mm，槽口寬度為1.5 mm，槽口深度為1.5 mm。其中節(jié)流閥開口度分別取0.2 mm，0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm，1.0 mm,1.2 mm。

圖1 U型節(jié)流閥模型結(jié)構(gòu)圖

考慮到U型節(jié)流閥結(jié)構(gòu)具有對稱性，且為減小計(jì)算工作量，網(wǎng)格劃分采用四面體單元生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于節(jié)流口附近流道變化較大，流體流場特性必然隨之急劇變化。因此，為了得到更好解析流場及計(jì)算的收斂性，本研究對節(jié)流口處的網(wǎng)格進(jìn)行加密細(xì)化。此外，在每一個(gè)角點(diǎn)處都進(jìn)行局部細(xì)化。邊界條件如圖2所示：將剖開截面處設(shè)置為對稱邊界條件；其他邊界設(shè)置為壁面，壁面采用無滑移條件；進(jìn)出口處均采用壓力邊界條件：入口壓力為0.3 MPa；出口壓力為0.1 MPa，參考壓力為一個(gè)大氣壓。建立COMSOL三維模型，選擇湍流模塊，并采用k-ε模型，閥內(nèi)流體介質(zhì)選用水，并視為不可壓縮流體，設(shè)置穩(wěn)態(tài)求解。

1.3 控制方程

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為封閉方程，得到了流體在節(jié)流閥流動所滿足的控制方程[9]。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

湍流時(shí)均運(yùn)動基本方程為：

(1)

湍動能方程(k方程)：

(3)

(4)

(5)

式中，i=1，2，3；j=1，2，3；ρ為流體密度；p為壓力；μt為湍動黏度，k是湍動能，ε是湍動耗散率。標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程中的相關(guān)常數(shù)為：

cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1，σε=1.3

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 壓力場分析

圖3為U型節(jié)流閥內(nèi)壓力分布圖。從圖中可以看出：流道內(nèi)壓力較大的區(qū)域位于進(jìn)口腔，約為3×105Pa，壓力較小的區(qū)域位于出口腔，約為1×105Pa。進(jìn)口腔的壓力遠(yuǎn)大于出口腔的壓力，而且同一腔內(nèi)壓力幾乎不變。壓降區(qū)主要分布在節(jié)流口處，這是由于流體在流經(jīng)節(jié)流口時(shí)，因通流截面積突然縮小，流速急劇增大，壓力也隨著下降。若壓力降至液體飽和蒸汽壓下，將會形成空化現(xiàn)象[10]。此外，從圖中還可以看出，隨著閥口開度的增加，壓降在節(jié)流口處變得緩和，壓降區(qū)域向節(jié)流口擴(kuò)展。這是由于節(jié)流閥開度的增加減弱了節(jié)流口的節(jié)流作用，但節(jié)流口仍是壓力降低的主要區(qū)域。故適當(dāng)增大開度有利于減小空化程度。

圖3 不同開度下閥體內(nèi)部壓力分布圖

2.2 速度場分析

圖4是U型節(jié)流閥內(nèi)部速度分布。從圖中可以看出：遠(yuǎn)離節(jié)流口處閥內(nèi)流體速度較低且變化較為緩和，在節(jié)流口附近速度最大且流速急劇變化，形成射流區(qū)域。隨著開度的變化，高速射流區(qū)最大速度基本相同，但隨著閥口開度的變化，高速射流區(qū)域的大小、形狀和位置均發(fā)生了變化。開度較大時(shí)高速射流區(qū)域較大，主要分布在槽口入流口。隨著開度的減小，高速射流區(qū)域不斷減少且向槽口后方移動。這是由于U型節(jié)流槽的閥口遷移現(xiàn)象引起的[11]。

圖4 不同開度下閥體內(nèi)部速度分布圖

圖5是出射角度與開度的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出：隨著閥口開度不斷增大，流體出閥口的出射角(出射方向與軸線的夾角) 不斷減小。開度為0.2 mm時(shí)，出射角最大，約為73.5°。當(dāng)開度從0.2 mm增加到1.2 mm時(shí)，出射角度線性減小，逐漸下降至60°。由此我們可以推測， 當(dāng)出射角減小至某一值α?xí)r， 出射流體將沖擊管道壁面，形成回流區(qū)域，易產(chǎn)生空化現(xiàn)象[12]。

圖5 出射角度與開度變化關(guān)系圖

3 結(jié)論

基于單相流動的控制方程和湍流模型，本研究采用基于軟件COMSOL Multiphysics數(shù)值分析了不同開度下節(jié)流閥內(nèi)部的流場特性。結(jié)果表明：

(1) 流體在流經(jīng)節(jié)流口時(shí)，流速急劇增大，高速液體繞物體和繞角點(diǎn)流動的壓力急劇減少。若壓力降至液體飽和蒸汽壓下，將會形成空化現(xiàn)象。所以節(jié)流閥進(jìn)出口壓差不宜過大；

(2) 由于開度很小，所以閥體上下腔壓力較為均勻穩(wěn)定，在節(jié)流口處壓降較大， 且隨著開度的增大，壓力變化逐漸緩和，故適當(dāng)增大開度有利于減小空化程度；

(3) 高速射流區(qū)最大速度基本相同，但高速射流區(qū)域的大小、形狀和位置都隨著開度變化而改變。所以，閥口開度是影響高速射流區(qū)分布的重要因素。

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