王旭東

摘 要：通過文獻檢索和查閱，對當今國外關(guān)于液壓閥內(nèi)流場的CFD研究方法進行了追蹤和了解，特別是對液壓閥內(nèi)流場的仿真計算和可視化分析給予了特別關(guān)注，這些將有助于國內(nèi)研究者們進行借鑒和參考，更好地掌握相關(guān)研究手段。

關(guān)鍵詞：液壓閥;流場;CFD

中圖分類號：TH137.52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0055-02

0 引言

二十一世紀是流體傳動與控制技術(shù)逐步走向成熟和完善的時代，在迅猛發(fā)展的現(xiàn)代控制技術(shù)大潮中，這種技術(shù)既承擔了傳動的任務(wù)，更是作為一種精確的控制手段，在現(xiàn)代控制工程中，發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

液壓閥是流體傳動與控制技術(shù)中重要的基礎(chǔ)元件，可以用來控制液體的流動方向，控制液體壓力，調(diào)整液流的流量，進而調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的各項性能[2]。為了能夠深入了解和分析研究液壓閥體內(nèi)部的復(fù)雜流場，一門新興的流場研究技術(shù)CFD快速發(fā)展起來，使用這項技術(shù)對閥體在復(fù)雜工況下的內(nèi)部流動狀態(tài)進行仿真和計算[3]，成為液壓技術(shù)領(lǐng)域中新的研究熱點。

1 液壓閥內(nèi)流場CFD方法研究國外研究現(xiàn)狀

近年來，應(yīng)用CFD方法對液壓閥內(nèi)流場進行多維建模仿真并進行迭代計算，同時運用計算機可視化技術(shù)對結(jié)果加以分析，已逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。國外許多學(xué)者和專家采用CFD方法對液壓閥內(nèi)流場進行了大量研究工作。

1.1 渦量法仿真研究

日本學(xué)者TetsuhiroTsukiji、Yoshikazusuzuki采用渦量法對液壓油用錐閥內(nèi)部三維軸向流動進行了數(shù)值仿真，分析了錐閥的內(nèi)部流動情況[4]。這種方法與邊界元法結(jié)合能很好地解決紊流以及移動邊界問題。

1.2 氣穴流場研究

ShigeruOSHIMA，TimoLEINO等在“水壓錐閥氣穴流場的試驗研究”[5]文章中，對水壓錐形閥的內(nèi)部流動和外部流動這兩種情況進行了試驗研究，并將結(jié)果與先前的油液錐閥研究結(jié)果進行了對比分析，得到了在施加不同的壓力情況下，錐形閥的節(jié)流口處的液體壓力數(shù)值、閥口流量系數(shù)值和液體質(zhì)量流動率的數(shù)值，及閥芯上的壓力數(shù)值，并繪制出了相應(yīng)參數(shù)的分布圖。這一試驗成果，對相應(yīng)的理論研究和進行多種數(shù)值的仿真模擬提供了很好的試驗依據(jù)。

1.3 錐閥射流研究

在YuKeshen、KojiTakahashi、Tomoyasu等撰寫的“錐閥射流的數(shù)值分析”[6]一文中，研究者創(chuàng)新運用了流線坐標法，對液壓錐閥的流場進行了數(shù)值仿真，分析了錐閥和球形閥的內(nèi)流場，給出了錐閥流場的壓力和液動力的作用結(jié)果。

1.4 氣蝕現(xiàn)象研究

在這同一時期，S BERNAD、R SUSAN等人聚焦閥的2D穩(wěn)態(tài)流，針對閥體內(nèi)部的單向流和多相流流場，運用CFD技術(shù)進行了模擬分析，將研究結(jié)果發(fā)表在了“錐閥閥腔內(nèi)部的氣蝕現(xiàn)象”[7]的論文里。該研究采用的錐閥建模結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為該模型的軸對稱計算區(qū)域。

Priyatosh Barman等進一步對3D滑閥模型進行了流場仿真研究[8]，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。在這個研究項目中，STAR-3D仿真軟件得到了充分使用。特別是針對兩相流動液體的仿真計算效果良好，分別獲得了液壓閥閥內(nèi)流場的壓力、速度和氣體體積分布圖。研究結(jié)果表明，在大流量、高壓差作用下，閥內(nèi)液流區(qū)域具有相當?shù)目赡苄孕纬善F(xiàn)象，而當汽化出現(xiàn)后，氣泡的破裂沖擊作用，會對閥體及閥芯表面造成明顯的氣蝕破壞。顯然，該項研究結(jié)果對改進滑閥內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計、抑制氣蝕產(chǎn)生具有積極的指導(dǎo)意義。

Qinghuiyuan，Perry Y. Li Yoshinari Nakamura，Seiiehi Washio，Koya Syojino[9]等人用實驗方法詳細研究了錐閥動靜態(tài)特性;M.Kipping[10]對液壓滑閥在三種不同流體介質(zhì)工作條件下的內(nèi)部流場進行了實驗和數(shù)值分析;M.Dietze[11]對不同錐角下的液壓閥分別建立了二維和三維模型，并進行了數(shù)值仿真分析，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本符合。

2 結(jié)語

從國外研究現(xiàn)狀可知，CFD方法已廣泛應(yīng)用于對液壓閥流場特性進行仿真計算及閥體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面，在具體流場仿真過程中大多采用CFD軟件進行求解計算，且仿真結(jié)果基本與實驗結(jié)果吻合，說明CFD方法合理可行，并且相對于其他方法能節(jié)省大量的人力和物力，其研究成果可為閥的優(yōu)化設(shè)計提供重要的理論依據(jù)及實際參考價值。

參考文獻

[1] 王益群.張偉流體傳動及控制技術(shù)的評述[J].機械工程學(xué)報，2003，39（10）：95-99.

[2] 路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3] 淑娟，劉楷安，孫雪麗.基于CFD的液壓錐閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬分析[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2008，29（2）：56-58.

[4] TetsuhiroTsukiji .Flow analysis in oil hydraulic valve using vortex method[C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[5] Shigeru OSHIMA，Timo LEINO，Matti LINJAMA.experimental study on cavitation in water hydraulic poppet valve[C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[6] YuKeshen， KojiTakahashi，Tomoyasu.Numerical Analysis of the Jet Issuing From a Poppet Valve[C].In：machanical? ?meeting? paper volume of japanm，2002.

[7] S BERNAD，R SUSAN-RESIGA，I ANTON，et al.Vortex Flow Modeling Inside the Poppet Valve Chamber[C].Bath Workshop on Power Transmissi-on and Motion Control（PTMC）.Bath.2001.

[8] Priyatosh Barman.Computational? Fluid? Dynamics （CFD）? Analysis to Predict to and Control the Cavitation Erosion in a Hydraulic Control Valve[C].In：SAE World Congress.Detroit，Michigan，USA，2002.

[9] Yoshinari Nakamura，Seiiehi Washio，Koya Syojino.Measurement and modeling of poppet valve charaeteristics [C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[10] Kipping. Experimental Investigation and Numerieal Caleulation of Internal Flow in a Hydraulic Slide Valve[D]：[Master degree Dissertation].Darmstadt University of Technology，1997.

[11] Dietze. Measurement and Calculation of the Internal Flow in Hydraulic Seat Valves[D]：[Master degree Dissertation].Darmstadt University of Technology，1996.