【技術(shù)貼】新型節(jié)流閥的流場數(shù)值分析

節(jié)流閥廣泛應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)的調(diào)速和延時回路中,穩(wěn)態(tài)液動力(下稱“液動力”)是影響單向節(jié)流閥性能的關(guān)鍵因素之一,不僅決定換向阻力,同時也影響節(jié)流閥的精確控制。

目前常規(guī)的動量定律分析方法,隨著節(jié)流閥腔室結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性,已無法詳細(xì)和準(zhǔn)確地描述其動靜態(tài)過程。而液動力的精確控制對節(jié)流閥的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要,特別在于衡量閥芯動態(tài)平衡上,以獲得單向節(jié)流閥良好的動態(tài)靜性能。因此,必須采用流場仿真的方法對液動力進行計算。此外,為了優(yōu)化設(shè)計,對單向節(jié)流閥腔室內(nèi)部流場的詳細(xì)分析也是必需的。

為此,本文采用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件對固定節(jié)流閥以及改進后的閥腔室3D流場進行詳細(xì)的CFD計算,研究其流場主要特征參數(shù)(射流角、液動力和流量)的變化情況。

在一般使用中,固定式節(jié)流閥普遍是截面突然縮小的形式,先對它進行分析;為了提高節(jié)流壓降,隨后設(shè)想對固定式節(jié)流閥進行改進,使節(jié)流閥由一系列的突變形狀組成,再對新的流道流場進行分析。

對于固定式節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)幾何模型有如圖2-1的結(jié)構(gòu)形式(取一半),是固定式節(jié)流閥的最普遍的一種,流體流進一個截面突然縮小的通道,流速增大,壓力降低。它相當(dāng)于一個小孔噴嘴。流體從閥前的主管道流進,再進入閥腔,通過閥芯與閥座的環(huán)形流道,流入閥后的下一主管道(直徑同閥前)。這里,我們只關(guān)心流經(jīng)節(jié)流閥的流場,故所取的控制體是包括節(jié)流閥的一段局部結(jié)構(gòu)。

流體在流進、流出節(jié)流閥的過程中,先是遇到一個突然擴大的流腔,在流腔中高速回漩,再流經(jīng)閥芯與閥座形成的節(jié)流喉口,最后流經(jīng)一段擴大的短流道后再流入下一級主管道。在這一局部復(fù)雜的流道中,有突然擴大的區(qū)域,急劇縮小的節(jié)流口,流動方向的急劇改變等流道變化復(fù)雜區(qū)域,流動現(xiàn)象難以把握。故采用CFD軟件進行數(shù)值模擬研究。

對圖2-1所示的節(jié)流閥結(jié)構(gòu)進行簡化,得到其CFD計算模型。由于節(jié)流閥閥腔結(jié)構(gòu)圓周對稱,因此只需對一半閥腔流道進行建模和網(wǎng)格劃分。同時,因為節(jié)流閥閥口開度較小,其出口腔壓力和速度的梯度較大,存在漩渦等復(fù)雜流態(tài),故采用局部網(wǎng)格細(xì)化。而進口及閥口前區(qū)域為高壓部分,壓力等變化不大,故采用粗網(wǎng)格,如此也可大大減少計算時間。固定式節(jié)流閥流場網(wǎng)格劃分如圖2-2所示,共劃分55497個四面體網(wǎng)格。

邊界條件:左邊邊界為流體入口,給定入口邊界條件為壓力入口5MPa,入口處的紊流強度按來流的5%取值,右邊邊界為壓力出口。其它固壁邊界按無滑移邊界處理,各種流動參數(shù)置為零。

在計算過程中對流體的流動狀態(tài)做了如下假設(shè):

1)流體均看作不可壓縮,恒定的牛頓流體(即速度變化時,動力粘度不變);

2)運動介質(zhì)為液壓油,油液的密度為889kg/m3,動力粘度0.02Pa.S;

3)在計算時選用了標(biāo)準(zhǔn)的k一￡兩方程紊流模型。

根據(jù)理論分析的經(jīng)驗公式

通過計算,壓降值約為3MPa。

通過Fluent 計算后得出固定式節(jié)流閥的壓力分布及速度分布,如圖2-3和2-4。 根據(jù)處理發(fā)現(xiàn),在收縮段,很少看到流動的分離,在收縮段中,壓力下降,速度顯著地增大。 由此看出根據(jù)CFD軟件計算出的值與經(jīng)驗計算值相差甚小,在工程計算允許的范圍之內(nèi)。

由于目前的固定式節(jié)流閥形式的流動阻力達不到所需的要求,不能提供更大的阻力,故必須改進它的設(shè)計。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個局部管件時,若個管件的相隔距離大于相應(yīng)的影響段,則可認(rèn)為個局部損失各自獨立而互不相關(guān),因此總局部損失為各局部損失之和,否則,不能簡單相加。根據(jù)上述理論我們設(shè)想將節(jié)流閥的幾個局部管件連接起來,并且相隔距離在相應(yīng)的影響段范圍內(nèi)。這樣通過該結(jié)構(gòu)的流動阻力勢必很大。

圖3-1是改進后流道變化復(fù)雜的固定式節(jié)流閥的幾何結(jié)構(gòu)三維圖。由對稱性,取一半幾何體進行網(wǎng)格劃分,其網(wǎng)格模型如圖3-2所示。

依據(jù)流體力學(xué)和紊流理論,流體壓頭的損失主要由突然縮小的損失、擴大的壓力損失、漩渦產(chǎn)生的損失三部分組成。

通過速度等值線云圖(圖3-1),我們可以發(fā)現(xiàn),在流動方向的截面上,速度遵從紊流的通用速度分布規(guī)律(紊流高速區(qū)域)。在截面突然擴大的兩個區(qū)域,無論在x方向還是在y方向的壓力圖(如圖3-2)上,我們觀察到:都產(chǎn)生了漩渦,能量損失嚴(yán)重。從以上的三維分析可以看出隨著節(jié)流孔徑的增大,壓降越來越小,當(dāng)孔徑增大到一定程度(如22~以上),壓降變化越不明顯,也就是說此時該新型節(jié)流閥節(jié)流效果很小了。隨著孔徑的縮小,壓降急劇的上升。通過計算模擬,利用擬合曲線我們得出了當(dāng)流量確定的情況下,該新型節(jié)流閥的壓降與小孔直徑d的近似關(guān)系式如下:

從上式可以看出,閥前后的壓差△P隨孔徑的增加而急劇的減小,與孔徑的乘冪成反比。另外,從上述的比較分析可以看出,結(jié)果很符合實際流動情況。

從分析中,可以知道,由多個局部阻力構(gòu)件組成的這種新型固定式節(jié)流閥,能提供比單個局部阻力管件提供大得多的節(jié)流效率。要想增大通過節(jié)流閥的流動阻力,應(yīng)盡量將多個局部阻力構(gòu)件緊密的連接在一起,使流道變化得急劇和突然,以達到節(jié)流效果。相反,若想減小流動損失,則應(yīng)避免將相鄰局部元件布置在其影響段范圍內(nèi)。