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(蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州 730050)

引言

液壓閥是液壓系統(tǒng)中非常重要的元件，主要通過控制流體的壓力、流量和流動方向來滿足工作要求，使各類執(zhí)行元件實現(xiàn)不同的動作[1]。液壓控制閥的內部結構比較復雜，主要由閥體、閥芯、操縱控制機構等主要零部件組成?；y類的閥芯是圓柱形，通過閥芯在閥體孔內的滑動來改變液流通路開口的大小，以實現(xiàn)對液流壓力、流量及方向的控制。非全周開口滑閥具有水力半徑大，抗阻塞的特點，其流量范圍大，易得到較小的穩(wěn)定流量，在液壓比例閥和伺服閥中得到了廣泛應用[2]，節(jié)流槽滑閥的特性分析對液壓閥的性能提升起著很重要的作用。

近幾年隨著計算機科學技術的不斷發(fā)展以及計算流體力學理論的豐富。人們借助CFD技術對液壓閥復雜內部流場進行數(shù)值模擬和可視化分析，成為液壓領域的熱點。在液壓技術中，流體仿真主要研究方向有：氣穴現(xiàn)象分析，流場速度壓力流量分析和液動力分析等。文獻[3-6]利用Fluent軟件分別對伺服閥、電磁閥、滑閥式換向閥以及液壓比例閥的三維扇形區(qū)域內部流場進行模擬仿真，得到壓力與流量，穩(wěn)態(tài)液動力與閥口開度之間的關系。文獻[7]采用CFX軟件對三維溢流閥模型的內部流場進行模擬仿真，并結合流體動力學方程對溢流閥的瞬態(tài)流場特性和動態(tài)特性進行了研究。目前對液壓閥內部流場的仿真分析主要是針對全周開口滑閥即傳統(tǒng)滑閥,關于節(jié)流槽滑閥又稱為非全周開口滑閥的研究比較少。本研究以非全周開口液壓閥滑閥為研究對象，針對滑閥的內部流場進行三維穩(wěn)態(tài)仿真模擬。采用有限元分析軟件ANSYS的前處理模塊GAMBIT，分析計算模塊Fluent以及后處理模塊TECPLOT，得到了滑閥內部流場的速度壓力、流量特性以及流量系數(shù)隨閥口開度的變化規(guī)律。

1 計算流體力學基礎

任何物體的運動都要遵循一些運動規(guī)律，流體運動也不例外，因此滑閥內部流體的流動也要遵循質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。

1.1 流體動力學的連續(xù)性方程

連續(xù)性方程就是我們所說的質量守恒方程，質量守恒定律是流體力學中最基本的定律。在一定的時間內，某一特定平面上流入的流體質量與流出的相等，得到流體流動時的質量守恒微分方程[8]：

(1)

式中：ux、uy、uz分別為x、y、z，3個方向上的速度分量，m/s；t為時間，s；ρ為流體密度，kg/m3。

1.2 流體動力學的動量方程

(2)

式中：Su,Sv和Sw是動量守恒方程的廣義源項，Su=Fu+sx，Sv=Fv+sy，Sw=Fw+sz，其中，sx，sy和sz表達式：

1.3 湍流模型

流體的流動狀態(tài)可以分為層流和湍流，而湍流在自然界中很常見，大部分工程中的流動問題都是湍流模型[9]。

湍流模型主要有隨機性、有渦性、擴散性和耗散性等特征。當流體通過液壓閥時，在液壓閥內部由于節(jié)流口的作用，使流體流動的時候雷諾數(shù)很大，因此液壓閥內部流場的流動狀態(tài)是湍流。

2 液壓閥閥口流場的分析

2.1 幾何模型的建立

液壓閥模型的正確建立對后續(xù)的仿真計算有著非常重要的意義。為了使模型很好的反應出流場的流動情況，在建模的時候對模型要進行適當?shù)暮喕?。采用三維設計軟件對滑閥閥口開度分別為：10 mm、16 mm、22 mm時進行建模，主閥芯直徑為120 mm,流道油液進口直徑為140 mm，為了能夠清楚的看出在不同閥口開度下流場的運動情況，取每個閥口開度下的1/4來進行流場仿真，其中開度為16 mm時的三維模型如圖1所示。

圖1 開口為16 mm時三維模型

2.2 采用GAMBIT進行網格劃分如圖2所示

圖2 開口為16 mm時網格劃分

2.3 邊界條件的設置及相關的流體參數(shù)

(1) 本研究中所使用的液壓滑閥是比較理想的，裝配精確并且加工良好，沒有什么縫隙和瑕疵；

(2) 所使用的流體不可壓縮，是理想流體；

(3) 流體與壁面的接觸邊界是無滑移壁面；

(4) 采用的邊界條件為壓力入口和壓力出口。操作環(huán)境在標準大氣壓下，其中取進口壓力為2.1 MPa， 液壓油密度為889 kg/m3，油液動力黏度為0.03556 kg/(m·s)。

3 液壓閥內部流場的計算結果

3.1 壓力分布云圖

在保證其它條件相同的情況下分別對閥口開度為10 mm、16 mm、22 mm時進行流場仿真，壓力分布云圖如圖3～圖5所示。

圖3 閥口開度10 mm,壓差2.1 MPa時壓力分布圖(Pa)

圖4 閥口開度16 mm,壓差2.1 MPa時壓力分布圖(Pa)

圖5 閥口開度22 mm,壓差2.1 MPa時壓力分布圖(Pa)

從壓力分布圖以及壓力值可以看出，當流體流經節(jié)流槽閥口時，壓力下降比較快。隨著閥口開度的增大，流場的最低壓力減小，閥口開度為16 mm和 22 mm 時流場的最低壓力相差不大，但是與10 mm相比，最低壓力還是有所降低。壓力的變化范圍也隨著閥口開度的增大而增大。由于流體流經節(jié)流槽時流速很高，根據(jù)動量守恒定律，該處的壓力會很低，甚至有負壓會產生，可能會產生氣穴現(xiàn)象，當液壓系統(tǒng)中有氣穴現(xiàn)象產生時，會造成液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.2 速度分布云圖

以閥口開度為10 mm、16 mm時的速度分布圖為例，如圖6，圖7所示。

圖6 閥口開度10 mm,壓差2.1 MPa時速度分布圖(m/s)

圖7 閥口開度16mm,壓力差2.1MPa時速度分布圖(m/s)

從上圖可以看出，在相同的壓差條件下，閥口開度為10 mm和16 mm時，滑閥流場處的最大速度降低,并且隨著閥口的增大，閥口處的最大速度也隨之降低。流體在進口處的速度基本不變，但在經過閥口時，速度發(fā)生急劇變化，經過閥腔時流速產生擴散。在不同壓差條件下，對開度為16 mm時的該滑閥進行了內部流場仿真，得到：在相同的開口條件下，隨著壓差的增大，閥口的流速會隨之增大。

4 液壓閥壓力流量特性分析

4.1 不同閥口開度下的流量特性分析

滑閥的壓力流量特性是指流經滑閥的流量與閥口開度以及閥口壓差三者之間的關系。由流量公式得到流量系數(shù)Cd的公式：

(6)

式中：qν為流量，m3/s；A為閥口過流面積，m2；ρ為液壓油密度，kg/m3；Δp為閥口進出口壓力差，MPa。

根據(jù)仿真結果得到該滑閥在不同開度下的壓力-流量特性曲線圖，如圖8所示。

圖8 不同閥口開度下的壓力-流量特性曲線

從圖中可以看出通過閥口的流量與開度呈線性分布的關系，表明在滑閥開啟的過程中流量與閥口開度成正比。

通過式(6)我們得到不同閥口開度下的壓力-流量系數(shù)曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出：節(jié)流槽閥口的流量系數(shù)與閥口的開度大小密切相關的。隨著閥口開度的減小，流量系數(shù)逐漸增大。

圖9 不同閥口開度下的壓力-流量系數(shù)曲線

4.2 與半圓形槽滑閥的比較

半圓形槽示意圖如圖10所示。

圖10 不同節(jié)流槽形狀下的壓力-流量系數(shù)曲線圖

在相同條件下，對閥口開度為16 mm的半圓形槽滑閥進行模擬仿真，將得到的數(shù)據(jù)代入式(6)中得到流量系數(shù)值，并且與之前的矩形節(jié)流槽比較，結果如圖11所示。從圖中看出：滑閥流量系數(shù)與節(jié)流槽的形狀有關；在閥口開度相同的條件下，半圓形槽滑閥與矩形節(jié)流槽滑閥相比較，流量系數(shù)變化較平緩，并且隨著進出口壓差的增大都有緩慢下降趨于穩(wěn)定的趨勢。

圖11 半圓形槽示意圖

5 結論

本研究對液壓閥滑閥進行了內部流場的仿真分析，得出如下結論：

(1) 在進出口壓差相同的條件下，流體流經節(jié)流槽閥口時，壓力下降較快；隨著閥口開度從10 mm增加到6 mm時，流場的最低壓力有所增加，閥口開度為16 mm 和22 mm時流場的最低壓力相差不大，但是與10 mm相比，最低壓力有所下降.壓力的變化范圍也隨著閥口開度的增大而增大。

(2) 進出口壓差相同的情況下，隨著閥口開度的增大，閥口的最大速度隨之降低；在相同的開口條件下，隨著進出口壓差的增大，閥口的流速會隨之增大；流體在進口處的速度基本相同，但在經過閥口時，速度發(fā)生急劇變化，經過閥腔時流速產生擴散。

(3) 滑閥節(jié)流槽閥口的流量系數(shù)與閥口的開度大小，進出口壓力差以及節(jié)流槽形狀緊密相關。在相同壓差條件下，隨著閥口開度的減小，流量系數(shù)逐漸增大；在相同的閥口開度下，隨著進出口壓差的增大，流量系數(shù)在逐漸減小，半圓形槽滑閥與矩形節(jié)流槽滑閥相比較，流量系數(shù)變化較平緩，并且，隨著進出口壓差的增大都有緩慢下降趨于穩(wěn)定的趨勢。

參考文獻：

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