王偉，羅瑜，羅艷蕾，羅坤

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

0 前言

液阻是一種能局部改變液流流通面積產(chǎn)生壓力差的液壓元件[1]。目前在液壓系統(tǒng)反饋回路中，由于負(fù)載變化、空化等原因會造成負(fù)載信號波動，從而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不平穩(wěn)，在反饋回路中設(shè)置液阻元件可以改善這一情況。而組合式阻尼元件是一種用來改善液壓系統(tǒng)控制回路穩(wěn)定性的串聯(lián)型液阻元件，該阻尼元件由一個(gè)固定阻尼孔匹配一個(gè)可調(diào)節(jié)流口構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)彈簧力的大小來改變節(jié)流口開度從而自動調(diào)節(jié)阻尼大小以減小壓力脈動，增加控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性[2-4]。但組合式阻尼的結(jié)構(gòu)比一般的固定阻尼孔或者節(jié)流口更復(fù)雜，對于其內(nèi)部流場的流動情況難以通過理論方程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模解析，特別是達(dá)到動態(tài)平衡前的動態(tài)流場更難以揭示。因此，需要引入CFD動網(wǎng)格技術(shù)對組合式阻尼元件進(jìn)行數(shù)值模擬。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用動網(wǎng)格技術(shù)對液壓元件動態(tài)流場進(jìn)行了廣泛研究。基于動網(wǎng)格技術(shù)對流場變化進(jìn)行模擬求解的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了許多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3-16]。

何慶中等[3]利用動網(wǎng)格技術(shù)以及用戶自定義函數(shù)(UDF)研究了蝶閥開啟過程的渦街現(xiàn)象，得到了蝶閥開啟后不同時(shí)刻的渦流速度以及渦流長度。張順鋒等[4]利用動網(wǎng)格流固耦合分析方法推出閥芯在開啟完畢達(dá)到穩(wěn)態(tài)后仍有小幅振動并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。王陽陽[5]利用自適應(yīng)動網(wǎng)格瞬態(tài)分析對安全閥的溢閉特性進(jìn)行了研究。欒健等人[6]利用動網(wǎng)格技術(shù)研究了不同彈簧剛度下液壓錐閥開啟過程的流量以及瞬態(tài)液動力變化。徐文濤等[7]建立了截止閥閥芯啟閉過程中的動網(wǎng)格模型，提出了一種可以有效改善截止閥內(nèi)部氣流噪聲的結(jié)構(gòu)。JIANG和LIU[8]提出了一種雙轉(zhuǎn)子液壓變壓器，建立了考慮空化和湍流的CFD動網(wǎng)格模型，研究得出一組在保持低流量損失的同時(shí)可避免瞬時(shí)壓力過低的阻尼槽參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真參數(shù)的可靠性。ZHANG等[9]利用基于動網(wǎng)格的二維CFD模型，研究了在不同閥芯振動頻率下流量振蕩相幅位移與諧波閥振蕩頻率之間的依賴關(guān)系，揭示了液壓節(jié)流閥流道結(jié)構(gòu)與整體特性之間的關(guān)系。AMIRANTE等[10]為準(zhǔn)確預(yù)測液壓比例換向閥閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動力，利用三維動網(wǎng)格模型對液壓比例換向閥進(jìn)行了數(shù)值模擬。SIMIC等[11]利用動網(wǎng)格技術(shù)對高速開關(guān)閥進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析流體流動對高速開關(guān)閥閥芯運(yùn)動的影響，得出改變閥芯與閥殼的幾何結(jié)構(gòu)可以減小閥芯所受的軸向液動力并提高高速開關(guān)閥的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了對高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

本文作者利用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)與用戶自定義函數(shù)(UDF)相結(jié)合，對組合式阻尼元件進(jìn)行非定常流動的流場可視化分析。通過模擬閥芯運(yùn)動使流場改變的過程，從壓力場、速度場以及壓力脈動激勵(lì)等方面對組合式阻尼元件特性進(jìn)行分析。

1 模型分析

1.1 組合式液阻元件

如圖1所示，組合式液阻元件主要由一個(gè)固定阻尼孔和一個(gè)可調(diào)式節(jié)流口組合而成。油液經(jīng)過固定式阻尼孔進(jìn)入阻尼元件，在過渡腔產(chǎn)生壓力與閥芯彈簧力相平衡，使可調(diào)式節(jié)流口產(chǎn)生一定開度。調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力可以改變節(jié)流口開度，再根據(jù)節(jié)流槽的開口形式不同，實(shí)現(xiàn)阻尼力的二次調(diào)節(jié)。

1.2 網(wǎng)格劃分

文中組合式液阻元件節(jié)流口開口為U形。由于組合式阻尼元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其節(jié)流槽的開口具有很大的橫向壓力梯度以及強(qiáng)二次流[4]。若使用二維模型，這些特性會被忽略掉，所以選擇建立三維模型來對組合式液阻元件進(jìn)行流場可視化數(shù)值模擬。用SolidWorks建立組合式阻尼元件的三維結(jié)構(gòu)模型，然后通過ANSYS與SolidWorks綁定的接口將三維模型導(dǎo)入ANSYS中,對三維模型進(jìn)行流道抽取并劃分網(wǎng)格。

流場計(jì)算中，負(fù)體積是不允許的，動網(wǎng)格計(jì)算必須要保證閥芯與閥體之間最少有一層網(wǎng)格，所以建立三維模型時(shí)設(shè)定閥芯初始開度為0.5 mm。利用ANSYS Mesh軟件對流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?yàn)閯泳W(wǎng)格的更新方式為彈簧光順以及局部重構(gòu)，不同的動網(wǎng)格更新方式對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的要求不同，所以選擇四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對流道進(jìn)行劃分，對拐角以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。流道網(wǎng)格劃分如圖2所示。最終劃分網(wǎng)格個(gè)數(shù)為1 362 943，98%的網(wǎng)格質(zhì)量都在0.9以上，認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。

圖2 網(wǎng)格模型

2 動網(wǎng)格設(shè)置以及邊界條件

2.1 動網(wǎng)格以及UDF函數(shù)參數(shù)設(shè)置

由于組合式阻尼元件閥芯位移較大，選取彈簧光順法以及局部網(wǎng)格重構(gòu)法配合使用。彈簧光順法可以用于網(wǎng)格小變形的情況，當(dāng)網(wǎng)格變形過大、網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)不到要求時(shí)，再進(jìn)行局部網(wǎng)格重構(gòu)。動網(wǎng)格更新方法是重新布置區(qū)域內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，這需要得到前一個(gè)時(shí)刻對應(yīng)的流場參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)對下一個(gè)時(shí)刻剛體運(yùn)動導(dǎo)致流體域變化的非定常流場分析求解。

動網(wǎng)格控制方程[14]為

(1)

式中:ρ為流體的密度;u為速度向量;ug為移動網(wǎng)格的網(wǎng)格速度；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；sΦ為Φ的源項(xiàng)；?V為控制體V的邊界。此方程為任意控制體V上標(biāo)量Φ的守恒方程。

在動網(wǎng)格設(shè)置過程中，各參數(shù)的取值非常重要。為避免在動網(wǎng)格計(jì)算過程中出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量過差或者負(fù)體積的情況，需要合理設(shè)置彈簧光順法以及局部重構(gòu)法的參數(shù)。動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 動網(wǎng)格參數(shù)

為使用動網(wǎng)格技術(shù)求解閥芯位置變化導(dǎo)致流體域的動態(tài)變化過程，除了需要設(shè)置動網(wǎng)格更新方式，還需要使用用戶自定義函數(shù)UDF對剛體的運(yùn)動方式進(jìn)行定義。本文作者選用Fluent六自由度模型對剛體運(yùn)動進(jìn)行定義，在編寫六自由度模型程序時(shí)忽略閥芯所受的液壓卡緊力以及側(cè)向力，閥芯受底面液壓力、瞬態(tài)液動力、穩(wěn)態(tài)液動力、錐閥底面液壓力以及彈簧力的作用作理想的垂直方向運(yùn)動。

因此，編程時(shí)簡化閥芯運(yùn)動，約束閥芯在x、y軸上的移動以及繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動。

在動網(wǎng)格中，如果時(shí)間步長取值過大可能會使網(wǎng)格在一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)變形過大，導(dǎo)致質(zhì)量下降或者出現(xiàn)負(fù)體積的情況，這樣會使計(jì)算無法推進(jìn)。因此，根據(jù)網(wǎng)格最小尺寸以及閥芯運(yùn)動速度的估算值，取時(shí)間步長為1×10-6s。

2.2 計(jì)算模型以及邊界條件

組合式液阻元件主要用于液壓系統(tǒng)反饋回路，反饋回路中壓力比主回路小得多。文中給定一個(gè)脈動頻率為300 Hz的入口壓力(15+|sin(300×π×t)|)MPa，以便于觀察組合式液阻元件對壓力脈動的抑制情況。根據(jù)組合式液阻元件設(shè)計(jì)應(yīng)用工況，文中邊界條件以及部分參數(shù)取值見表2,其中彈簧不施加預(yù)緊力。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型以及Simplec算法。

表2 仿真參數(shù)

組合式阻尼元件內(nèi)部液壓油為黏性流體，假定它不可壓縮，忽略重力作用，液壓油在組合式阻尼閥閥體內(nèi)流動為湍流流動。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[7]，則其控制方程為

(2)

(3)

(4)

(5)

3 仿真結(jié)果分析

基于上述動網(wǎng)格原理以及計(jì)算模型，在上述邊界條件下，對組合式液阻元件進(jìn)行非定常流動的可視化分析，分析在底面液壓、瞬態(tài)液動力以及彈簧力作用下閥芯運(yùn)動致使組合式液阻元件內(nèi)部流場產(chǎn)生的變化，以及在此過程中組合式液阻元件進(jìn)出口壓力、流速的變化情況。

圖3所示為閥芯到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，組合式液阻元件內(nèi)部流線。可以看出：組合式液阻元件內(nèi)部流場分布十分復(fù)雜，且在此時(shí)刻閥芯開度大，油液受閥芯影響形成渦流。

圖3 閥芯處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的流線

3.1 速度場分析

圖4所示為組合式液阻元件對稱面上的速度流線，圖4(a)—(c)可以看出：(a)—(c)閥口開度較小，固定式阻尼孔內(nèi)是流速最大區(qū)域，節(jié)流口處也存在有高流速區(qū)域，尤其是靠近組合式液阻元件出口的節(jié)流口。同樣，由圖4(d)—(f)可知:隨著閥芯向上移動，節(jié)流口開度增大，油液在固定式阻尼孔至可調(diào)式節(jié)流口之間腔體內(nèi)形成射流,同時(shí)組合式液阻元件出口處流速增大。由此可知，組合式阻尼元件出口流速、固定式阻尼孔進(jìn)出口流速都受到閥芯運(yùn)動的影響。由圖4(c)—(e)可知:組合式液阻元件內(nèi)部流場隨著閥芯開度增大變得更加復(fù)雜，油液在腔體內(nèi)形成2個(gè)明顯的渦流，閥芯右側(cè)也有渦流形成;當(dāng)閥芯到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，出口處的流體域明顯穩(wěn)定，既無渦流產(chǎn)生，流速也保持穩(wěn)定，渦流發(fā)生在閥芯與固定阻尼孔之間的腔體內(nèi)。

圖4 組合式液阻元件速度場流線

3.2 壓力場分析

不同時(shí)刻組合式液阻元件壓力云圖如圖5所示，其中圖5(a)到圖5(e)為閥芯運(yùn)動的第一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的壓力場云圖，圖5(f)為閥芯趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的壓力云圖。由圖5可以看出：組合式液阻元件在閥芯運(yùn)動過程中壓力場變化十分復(fù)雜，從閥芯開始運(yùn)動時(shí)刻至閥芯運(yùn)動到最大位置時(shí)刻，油液從入口經(jīng)過固定式阻尼孔，壓力大幅度減小，同時(shí)在固定式阻尼孔內(nèi)油液壓力呈階梯式衰減。受閥芯運(yùn)動的影響，組合式阻尼元件的固定式阻尼孔以及可調(diào)式節(jié)流口之間腔體內(nèi)的流場十分復(fù)雜。

隨著節(jié)流口開度增大，腔體內(nèi)壓力梯度不斷變化，對比速度流線圖可知：在腔體內(nèi)由于渦流產(chǎn)生了2個(gè)明顯的低壓區(qū)，這使得腔體內(nèi)在高壓情況下容易發(fā)生氣穴現(xiàn)象，這2個(gè)低壓區(qū)隨著閥口開度增大逐漸消失；而后閥芯從最高點(diǎn)運(yùn)動到最低點(diǎn)，從圖5(c)到(e)可以看出：2個(gè)低壓區(qū)已經(jīng)消失，同時(shí)閥芯底面處出現(xiàn)明顯的壓力梯度，閥芯底面出現(xiàn)高壓區(qū)。對比圖6和圖5可以看出：組合式液阻元件的壓降基本集中于固定式阻尼孔處，而可調(diào)式節(jié)流口處也產(chǎn)生了一定的壓力變化。當(dāng)閥芯到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，對比圖4(f)以及圖5(f)可以看出：雖然穩(wěn)態(tài)時(shí)在腔體內(nèi)出現(xiàn)渦流，但其壓力梯度變化明顯不大。同時(shí)觀察更小時(shí)間尺度的組合式液阻元件流場變化，發(fā)現(xiàn)在節(jié)流口開度較小時(shí)，不僅腔體內(nèi)出現(xiàn)了低壓區(qū)，在節(jié)流口處也出現(xiàn)了面積較小的低壓區(qū)；觀測同時(shí)刻速度流線圖可以發(fā)現(xiàn)節(jié)流口處也出現(xiàn)了明顯的渦流現(xiàn)象。同時(shí)由圖6可以看出：組合式阻尼元件出口壓力曲線比固定式阻尼孔出口壓力曲線更平滑，說明組合式阻尼元件對壓力脈動的衰減效果優(yōu)于單個(gè)固定的阻尼元件。

圖5 不同時(shí)刻組合式液阻元件壓力云圖

由圖6還可知：組合式液阻元件內(nèi)部流場受閥芯運(yùn)動的影響，產(chǎn)生了類似于閥芯位移曲線的壓力波動，而當(dāng)閥芯區(qū)域平穩(wěn)時(shí)，內(nèi)部流場也趨于平穩(wěn)；固定式液阻元件進(jìn)出口壓力一直存在高頻率的壓力脈動，而經(jīng)過可調(diào)式節(jié)流口后，該壓力脈動明顯降低。結(jié)合圖5可以看出：油液經(jīng)過固定式阻尼孔上方腔體以及節(jié)流口后，壓力變化波動減小。

圖6 組合式阻尼元件監(jiān)測部位壓力變化曲線

圖7所示為閥芯位移與出口壓力曲線，可以看出：閥芯在底面液壓力、穩(wěn)態(tài)液動力、瞬態(tài)液動力以及彈簧力作用下產(chǎn)生位移作衰減振蕩運(yùn)動，穩(wěn)態(tài)時(shí)閥芯位移約為13 mm；振蕩過程持續(xù)0.014 s，平穩(wěn)后周期運(yùn)動振幅為0.6 mm。

圖7 閥芯位移與出口壓力曲線

由圖7還可以看出：當(dāng)閥芯上升時(shí)，出口壓力基本不變，維持在12 MPa；當(dāng)閥芯運(yùn)動與底面液壓力相反時(shí)，出口壓力產(chǎn)生脈動；當(dāng)t=0.001 7 s時(shí)，閥芯運(yùn)動到低點(diǎn)，出口壓力產(chǎn)生最大峰值12.86 MPa；隨著閥芯運(yùn)動衰減，出口壓力脈動的振幅也逐漸減小，當(dāng)t=0.013 8 s時(shí)，閥芯位移達(dá)到穩(wěn)態(tài)，保持振幅為0.6 mm的周期運(yùn)動，組合式液阻元件出口壓力基本維持穩(wěn)定，產(chǎn)生的壓力脈動基本可以忽略。

4 結(jié)論

與普通定常流場的數(shù)值模擬相比，利用動網(wǎng)格技術(shù)可更準(zhǔn)確地模擬出閥芯運(yùn)動與流場變化相互影響的過程。基于動網(wǎng)格以及六自由度求解器對組合式液阻元件進(jìn)行了非定常流動的流場可視化數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1)隨著閥芯的上升，組合式阻尼元件腔體內(nèi)會形成2個(gè)渦流區(qū)域，當(dāng)閥芯運(yùn)動到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，這2個(gè)渦流區(qū)域保持在腔體內(nèi)；閥芯受力運(yùn)動規(guī)律會對進(jìn)出口壓力以及內(nèi)部流場造成一定影響；

(2)閥芯運(yùn)動與底面液壓力相反時(shí)，出口壓力產(chǎn)生脈動，當(dāng)t=0.001 7 s時(shí)，閥芯運(yùn)動到低點(diǎn)，出口壓力產(chǎn)生最大峰值12.86 MPa；隨著閥芯運(yùn)動衰減，出口壓力脈動的振幅也逐漸減小；當(dāng)閥芯運(yùn)動到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，出口壓力也基本維持穩(wěn)定，在12.09～12.07 MPa之間波動。由此得出組合式阻尼元件通過固定式阻尼孔以及可調(diào)式節(jié)流口能更好地抑制液壓油出口的壓力脈動。