基于Fluent的负载敏感平衡阀流场分析
基于Fluent的负载敏感平衡阀流场分析
摘 要:按照负载敏感平衡阀的设计参数,应用Pro/E软件建立了平衡阀内节流阀芯的三维几何模型,运用Fluent前处理软件Gambit进行了网格的划分。采用标准紊流模型模拟了节流阀流道内流体的流动状态及漩涡的产生区域,通过截取各个阀芯小孔处的平均速度,从而验证流量的稳定性。所得结论为阀芯的结构设计与优化提供了参考依据。
0 引言
液压平衡阀是一种重要的液压元件,在工程机械、起重运输机械等领域中广泛应用,主要为了防止承载下降时出现超速危险。传统的平衡阀存在着不少缺点:负载较重时,容易出现低频振动,工作平稳性得不到保障,安全性较差;负载较轻时,控制压力偏高,致使系统功率损失严重。针对这些问题,文献[1]提出了一种新型的负载敏感平衡阀,该阀阀口的开度随负载的增加而自动减小,从而产生与负载匹配的背压。其控制压力为定值,从而保证在负载较重时,背压与负载匹配,在负载小时功率损耗较小[2]。本文按照某规格的负载敏感平衡阀的设计参数,应用Pro/E软件建立了平衡阀内节流阀芯的三维几何模型,运用Fluent前处理软件Gambit进行了网格的划分。在四种压力及对应四种阀芯开口量的情况下,对流体在阀流道内的流动状态进行了仿真研究。通过模拟和分析得知,阀道内各处流体的压力和速度分布情况、流体的流动状态与漩涡的产生区域,并通过截取各个阀芯小孔处的平均速度,计算在不同负载时的流量,验证了流量的稳定性。所得结论为阀道及节流口的结构设计与优化提供了参考依据,进而为改进系统、提高其工作的稳定性奠定了基础。
1 模拟过程
1·1 节流阀内部流体区域的确定和参数设定
负载敏感平衡阀的关键在于其节流阀的开口随负载的变化自动变化,因此,这里主要考察节流阀部分。图1所示为其结构简图。计算域为流体从入口进入,经阀芯上的小孔流入节流阀内部通道。
计算运用的控制方程为三维不可压缩黏性流体N-S方程[3-6]。
连续方程:
式中 U———速度矢量,单位为m/s;
u、v、w———速度矢量U在x、y、z方向上的矢量,单位为m/s;
p———流体微元体上的压力,单位为Pa;
Re———雷诺数;
2———拉普拉斯算子:
模型采用标准k-ε模型,标准k-ε模型的湍动能k和耗散率方程为如下形式:
式中 Gk———由平均速度梯度引起的湍动能;
Gb———由浮力影响引起的湍动能;
k———湍动能;
ε———湍流耗散率。
在计算过程中,取C1ε=1·44, C2ε=1·92, C3ε=0·09,σk=1·0,σε=1·3。
1·2 Gambit建模和模拟条件的设置
Gambit是Fluent的前处理软件。网格采用六面体网格,进出口边界条件取为压力入口和压力出口。在计算过程中对流体和流动状态进行了如下设置:流体为不可压缩流体;流体密度为860kg/m3;液压油选用抗磨液压油YA-N46,运动黏度μ=29mm2/s;流动状态为紊流;流场中的流动是单相流;流体与壁面接触的边界为静止壁面。压力—速度耦合采用Simple算法,环境压力为1个标准大气压,迭代次数设为500次,同时打开监视器,监视出口面的压力值,从而确定迭代计算是否收敛,当出口压力恒定不变时,即认为迭代收敛。
负载敏感平衡阀的节流阀芯如图2所示,由33个直径不同的小孔组成。为了方便建模和计算,取其模型的一半,在Gambit中建立的模型如图3所示。节流阀阀芯位移x=0mm时的内部流体区域图如图4所示,经Gambit建模后进行网格划分,网格划分采用Tet/Hybrid形式,设定的网格步长为0·5,具体的网格划分参见图5。
1·3 阀芯的四种开口状态下入口压力的计算
针对不同的阀芯位移量,分别计算入口的压力。阀芯位移x=0mm,即阀开口面积最大时(面积A=23·87mm2),此时的入口压力最小。由弹簧刚度k=4N/mm,与压缩量x0=3mm,节流阀左端控制活塞直径为5mm。则由控制活塞、节流阀芯与弹簧的力平衡方程pA=Kx可得,入口压力为0·61MPa。同理可得,阀芯位移x=5mm时,入口压力为1·63MPa。阀芯位移x= 10mm,阀芯开口面积A=8·325mm2。由弹簧刚度k=20N/mm,节流阀左端控制活塞直径为5mm。由于此处使用的是串联分段作用弹簧,则控制活塞、节流阀芯与弹簧的力平衡方程pA=k (x-5)可得,入口压力为5·1MPa。同理可得,阀芯位移x=15mm,入口压力为10·2MPa。
2 结果分析
2·1 流体流动状态中的速度和压力分析
图6为阀芯位移x=0mm时的阀芯内部所受压力的轮廓图,由此可知,阀芯内压力最大处位于进入阀芯上各小孔时的瞬间,所以此时对小孔的壁面剪切力较大,如图7所示。由图7可知流体流过小孔时的最大速度值产生在小孔处,这样质量流体在小孔的动量较大,对阀芯产生的压力冲击较大,所以在布置小孔时,应使各剖面上的各小孔数量和直径尽量保持一致是非常重要的,这样可以使冲击相互抵消,从而使阀芯能够平稳移动。
2·2 流体流动中的漩涡分析
图8、图9和图10均为阀芯流体区域抽掉外壳后的粒子轨迹图,抽掉外壳后使液压油的粒子轨迹显示更加明显,由此可以看出,在阀芯入口节流面积突变处和弹簧连接件与套筒的交界处均产生较大的漩涡,且直角孔拐角处产生了脱流现象,而这些都将引起较大的能量损失。漩涡区越大,能量损失越大;过流断面面积越小,能量损失越大。理论上由伯努利方程和连续性方程也可推出:在流体流动过程中,流道过流断面面积的变化将引起流速、压力及能量损失的相应变化。漩涡的产生直接影响液压油的流动稳定性及能量损失,可以通过减小弹簧连接件的直径,使弹簧连接件与阀芯及套筒的环形区域变大,以减小漩涡产生的程度,从而减小能量损失。
2·3 流量稳定性的验证分析
为了使平衡阀平稳工作,就要求在任意阀口开度情况下(对应不同负载),通过阀口的流量基本不变。本文通过测定不同阀芯位移时,通过阀口的速度的平均值,计算出在不同阀口开度下的流量。阀芯位移x=0mm时,通过测量各小孔中间的速度区间均在20m/s~26m/s之间,得出平均速度为23m/s,阀芯上小孔的总面积为23·87mm2。得出通过阀芯小孔的总流量约为34L/min。
阀芯位移x=5mm时,通过测量各小孔中间的速度区间均在39~41m/s之间,得出平均速度为40m/s,阀芯上小孔的总面积为14·5756mm2。得出通过阀芯小孔的总流量约为35L/min。
当阀芯位移x=10mm时,所示开口的小孔共有10个(7个0·8mm的小孔, 1个2mm的小孔, 1个1mm的小孔和半个1·5mm的小孔),分别测量了阀芯上各个小孔的速度值,流过小孔的流量为34·4L/min。
阀芯位移x=15mm时,通过测量各小孔中间的速度区间均在39~41m/s之间,得出平均速度为40m/s,阀芯上小孔的总面积为5·9346mm2,得出通过阀芯小孔的总流量约为35L/min。
图11给出了阀芯位移(对应于负载)与通过阀口的流量的关系,由图可见,负载敏感平衡阀可以随负载的变化自动适应,维持通过阀口的流量的基本恒定,从而实现了平衡阀的稳定运行。在承载下降工况时,阀阀口的开度能够随负载的增加而减小,从而产生与负载匹配的背压,保证控制压力基本恒定,进而验证此阀阀芯小孔设计的合理性。
3 结论
本文使用计算流体力学(CFD)软件Fluent分析计算了负载敏感平衡阀在不同压力值对应不同的面积情况下流量的变化情况,经Fluent仿真后的速度矢量图,计算出流过所有小孔的流量总值基本保持不变,从而验证了此负载敏感平衡阀节流阀芯设计的合理性。此外,通过对比分析了四种工况下内部流体的压力和速度的分布情况及漩涡产生的区域,为合理改变阀芯内部各部件的尺寸和结构提供了参考依据。
参 考 文 献
[1] 麻井伟,姚平喜.一种新型负载敏感平衡阀[J].液压气动与密封, 2007(2).
[2] 姚平喜,张晓俊.液压平衡回路辨析[J].液压与气动, 2005(1).
[3] 王瑞金,张凯,王刚编著. Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社, 2006.
[4] 江帆,黄鹏编著. Fluent高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社, 2008.
[5] 傅德薰,马延文编著.计算流体力学[M].北京:高等教育出版社, 2002.
[6] 王福军编著.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.
作者：张 恒 姚平喜 段少帅 王之新
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