張青蘭，王玉柱

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

基于Fluent的滑閥閥口流動(dòng)特性仿真分析

張青蘭，王玉柱

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

運(yùn)用流場(chǎng)仿真軟件Fluent對(duì)滑閥閥口流道進(jìn)行了流動(dòng)特性的仿真分析，研究了不同沉割槽尺寸、開(kāi)度下的壓力分布截面圖、速度分布截面圖和三維流線圖，以減小閥口在啟、閉過(guò)程中的不利影響因素。

控制滑閥；流動(dòng)特性；仿真分析；Fluent

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及工業(yè)水平的提高，對(duì)液壓系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，從而對(duì)液壓元件的設(shè)計(jì)、制造也提出了更高要求?；y是換向閥常用的形式，閥口的結(jié)構(gòu)及開(kāi)口量決定了閥內(nèi)流體的流動(dòng)情況，對(duì)閥的流量特性、沖擊及噪聲有重要影響。由于實(shí)際使用的滑閥結(jié)構(gòu)和尺寸多種多樣，液流在滑閥中的流動(dòng)狀態(tài)無(wú)法觀測(cè)，而通過(guò)試驗(yàn)對(duì)影響液流流態(tài)的各種因素進(jìn)行全面研究十分困難[1-2]。目前，在液壓元件的分析與設(shè)計(jì)中，廣泛采用仿真軟件來(lái)分析流場(chǎng)的流動(dòng)特性，以便對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改進(jìn)工作性能[3-4]。

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，基于Fluent 軟件，研究滑閥的流動(dòng)特性，得到閥內(nèi)流體的速度、壓力分布，閥口流量特性以及閥芯受力等結(jié)果，為深入了解滑閥的工作機(jī)理，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真，可使設(shè)計(jì)者將更多的時(shí)間用于分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低成本，縮短研究周期，提高設(shè)計(jì)效率。

運(yùn)用流場(chǎng)仿真軟件 Fluent對(duì)滑閥閥口流道進(jìn)行了流動(dòng)特性的仿真分析，研究不同沉割槽尺寸、開(kāi)度下的壓力分布截面圖、速度分布截面圖和三維流線圖，以減小閥口在啟、閉過(guò)程中的不利影響因素。

1 流體流動(dòng)的基本控制方程

1.1 連續(xù)性方程

在流場(chǎng)中任取一封閉的空間為控制體，其表面為控制面。流體通過(guò)控制面A1流入控制體，同時(shí)也會(huì)通過(guò)另一控制面A2流出控制體，控制體內(nèi)部的流體質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化。按照質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流入控制體內(nèi)的質(zhì)量與流出的質(zhì)量之差，等于控制體內(nèi)部流體質(zhì)量的增量。按照這一定律，可導(dǎo)出流體流動(dòng)的連續(xù)性方程：

對(duì)不可壓縮流體，則有：

1.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程是動(dòng)量守恒原理在流體運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)形式，該定律可表述為：控制體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。對(duì)粘性為常數(shù)的不可壓縮牛頓流體，動(dòng)量方程在慣性參考系下的描述為：

1.3 湍流基本方程

對(duì)于圓管內(nèi)流動(dòng)，定義Reynolds數(shù)為：

當(dāng)Re<2300時(shí)，管流為層流；當(dāng)Re≥2300時(shí)，管流為湍流。根據(jù)式（6）計(jì)算可知，滑閥內(nèi)的雷諾數(shù)約為7000～8000，因此油液在滑閥內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)主要是湍流，故采用湍流方程進(jìn)行計(jì)算。

1.4 RNG k-ε模型

1）RNG k-ε模型k方程和ε方程

RNG k-ε模型是由Yakhot和Orzag提出的，模型中的常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型不同，而且方程中也出現(xiàn)了新的函數(shù)或選項(xiàng)。其湍動(dòng)能與耗散率方程與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有相似的形：

式中：Gk是平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，對(duì)不可壓縮流體，Gb=0；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總散耗率的影響，這些參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型中相同；αk和 αt分別是湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

2）模擬有效粘度

湍流粘性系數(shù)計(jì)算公式為：

對(duì)上面方程積分，可精確得到有效雷諾數(shù)對(duì)湍流的影響，這有助于處理低雷諾數(shù)和近壁流動(dòng)問(wèn)題的模擬。對(duì)于高雷諾數(shù)，上面方程可給出：

式中：Cμ=0.0845，結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型的半經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)給出的常數(shù)Cμ=0.09非常接近。

1.5 近壁區(qū)域模擬

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和RNG k-ε模型均是高雷諾數(shù)的湍流模型，針對(duì)充分發(fā)展的湍流才有效。而近壁區(qū)域的流動(dòng)湍流發(fā)展不充分，特別是在粘性底層，流動(dòng)幾乎是層流，這樣一來(lái)就不能使用RNG k-ε模型，必須采取特殊的處理。目前，解決這一問(wèn)題的方法有兩種，一是用一組半經(jīng)驗(yàn)的公式(壁面函數(shù))將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)域內(nèi)的相應(yīng)物理量聯(lián)系起來(lái)，這就是壁面函數(shù)法。另一種途徑是采用低雷諾數(shù)的k-ε模型來(lái)求解粘性影響比較明顯的區(qū)域，這時(shí)要求在壁面區(qū)劃分比較細(xì)密的網(wǎng)格，越靠近壁面網(wǎng)格越細(xì)。這里采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)是基于Launder和Spalding提出的理論，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)流體中，其平均速度分布為：

式中：K為馮卡門(mén)常數(shù)，k=0.42；E為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，E=9.81；Up為流體在P點(diǎn)的平均速度；kp為P點(diǎn)的湍動(dòng)能；yp為從P點(diǎn)到壁面的距離；μ為流體動(dòng)力粘度，對(duì)數(shù)率平均速度關(guān)系式適用于y*>30～60。但上式在y*>11.225就可以使用。當(dāng)連接壁面的網(wǎng)格使得y*<11.225，應(yīng)用層流應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式：

2 閥口建模及網(wǎng)格劃分

為建立合適的 Fluent仿真模型，首先利用專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件 Pro/E建立滑閥閥口流場(chǎng)的三維立體模型，主要以流過(guò)滑閥P口和A口及節(jié)流口處的流體作為分析模型，采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，其閥口通徑為52mm，閥桿為40mm，閥芯外徑為60mm，最大開(kāi)度為8mm，繪制后的流場(chǎng)三維圖如圖1所示。

圖1 閥口三維流場(chǎng)圖

將流場(chǎng)的幾何模型導(dǎo)入 GAMBIT后，初始的網(wǎng)格模型由GAMBIT來(lái)生成，網(wǎng)格采用四面體單元來(lái)生成，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2(a)所示。劃分后，整個(gè)網(wǎng)格模型包括 820000個(gè)四面體單元。這些四面體單元體積大小不一，體積最大的為1.56×10-9m3，體積最小的為6.38×10-12m3。其中壁面的速度梯度和閥口附近區(qū)域的速度梯度及靜態(tài)壓力梯度比較大。因此，壁面及閥口附近的初始網(wǎng)格劃分比較細(xì)致，運(yùn)用Fluent的自適應(yīng)功能和局部細(xì)化功能對(duì)初始網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理，以期獲得更好的求解精度。圖2(a)為閥口開(kāi)度為8mm時(shí)的網(wǎng)格劃分示意圖，圖2(b)為用于網(wǎng)格質(zhì)量檢查的切片圖。

圖2 流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分及切片檢查

3 閥口流場(chǎng)特性仿真分析

3.1 邊界條件設(shè)置

設(shè)置該大流量滑閥閥口流場(chǎng)的邊界條件時(shí)，需要結(jié)合滑閥的使用環(huán)境，這里將邊界條件定義為速度入口和壓力出口，滑閥開(kāi)度為8mm時(shí)，通過(guò)閥口的流量為1400L/min，入口壓力為17MPa，通過(guò)薄壁節(jié)流小孔計(jì)算公式，得到其入口速度為8m/s，出口壓力為16MPa。對(duì)于流場(chǎng)介質(zhì)，20℃時(shí)水-乙二醇的密度為1060kg/m3。仿真過(guò)程沒(méi)有考慮流體之間的熱量交換，即壁面絕熱。

3.2 仿真結(jié)果

圖3是滑閥沉割槽分別為φ85mm和φ94mm時(shí)閥口流場(chǎng)的壓力分布截面圖?？煽闯?，滑閥中最高壓力出現(xiàn)在P口一側(cè)，最低壓力出現(xiàn)在A口一側(cè)，壓力損失主要集中在閥口的8mm開(kāi)度環(huán)形節(jié)流口處。以閥芯中心線為軸，流場(chǎng)在幾何上是中心對(duì)稱的，但是越靠近閥口的壓力越高，環(huán)狀流場(chǎng)上部壓力的減小與油液的流動(dòng)方向以及油液的自重有關(guān)。在節(jié)流口右側(cè)靠近閥桿的地方有一處壓力比周圍高 0.6～0.7MPa，這是經(jīng)過(guò)節(jié)流口的高流速油液沖擊的結(jié)果，閥桿在該處容易發(fā)生沖蝕而影響強(qiáng)度，在閥桿加工時(shí)應(yīng)該注意該處的表面質(zhì)量。

圖3 壓力分布截面圖(Pa)

比較圖3(a)、(b)可看出，采用直徑為94mm的沉割槽時(shí)，最高壓力降低了0.5MPa，而且沒(méi)有產(chǎn)生油液擴(kuò)散的現(xiàn)象。

圖4為閥口流場(chǎng)的速度分布截面圖，最高流速均出現(xiàn)在環(huán)形節(jié)流口處，在閥芯右側(cè)壁面均存在一個(gè)低速流動(dòng)區(qū)域，會(huì)有漩渦出現(xiàn)，所以該處要加工合適的圓角。P口速度較為均勻，A口右側(cè)油液比左側(cè)油液速度高。圖4(b)中閥口的最高流速比圖4 (a)的低9.5m/s，且比A口流速要均勻。

圖4 速度分布截面圖(m/s)

圖5是閥口流場(chǎng)的三維流線圖，流線的切線方向即為流場(chǎng)速度的方向。對(duì)比圖5(a)、(b)可知，前者在A口流線有纏繞現(xiàn)象，所以該處流場(chǎng)速度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)渦流，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，而后者的流線比較順暢。

設(shè)計(jì)沉割槽時(shí)，可適當(dāng)取較大值。

對(duì)比圖6(a)、(b)可看出，兩者的壓力分布大體一致，但由于前者開(kāi)度減小，節(jié)流口面積減小，通流能力減小，最高壓力要低0.6MPa，節(jié)流口壓差也減小了0.5MPa～0.6MPa。隨著開(kāi)度減小，節(jié)流口壓差會(huì)逐漸增加，而且增加的幅度會(huì)越來(lái)越大。

從圖7(a)、(b)可看出，閥口開(kāi)度減小到4mm后，節(jié)流口處最高流速增加了 7.6m/s，高速流動(dòng)區(qū)域更為集中，而且射流角度有所增大。閥口開(kāi)度減小使A口流速不均勻，可能出現(xiàn)渦流的區(qū)域范圍增大，見(jiàn)圖8。

圖5 閥口流場(chǎng)三維流線圖

圖6 壓力分布截面圖(:Pa)

圖7 速度分布截面圖(m/s)

圖8 閥口三維流線圖

4 結(jié)論

1）在其他條件不變情況下，隨沉割槽的增大，油液流速降低，閥口的最高壓力將減??；沉割槽越小，越易出現(xiàn)渦流，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，油液流速越不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)沉割槽時(shí)，可適當(dāng)取較大值。

2）在其他條件不變情況下，隨閥口開(kāi)度的減小，閥口的過(guò)流面積也相應(yīng)減小，油液流速增加，閥口的最高壓力也增加。閥口開(kāi)度越小，旋渦區(qū)越大，耗散越大；而過(guò)流斷面面積越小，能量耗散越大。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免過(guò)大斷面發(fā)生突變。

[1]周元春,楊曙東,羅 博.基于Fluent 的大通徑滑閥壓力流量特性研究[J]. 機(jī)床與液壓,2011(19):109-111.

[2]郭津津,田磊,劉杰.一種螺紋式二通插裝閥的性能分析[J].機(jī)床與液壓,2011(21): 84-86

[3]黃國(guó)權(quán),曹仲武.中心型蝶閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011.

[4]周毅,閆光輝.基于 Fluent 的混合彎管流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011.

Simulation and Analysis on Flow Characteristics of Orifice of Slide Valve Based on Fluent

ZHANG Qing-lan,WANG Yu-zhu
(No.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

Based on fluent software,the flow characteristics of the orifice of slide valve are simulated.The section of pressure and velocity distributions and three-dimensional flown line plot are studied according to different undercut slot dimension and opening of slide valve ,which can reduce the disadvantage influence in opening process and closing process of slide valve.

Slide valve; flow characteristics; simulation and analysis; fluent

TC21

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.019

張青蘭（1984-），女，碩士研究生，助理工程師，研究方向：船舶裝置。