【技术贴】新型节流阀的流场数值分析

节流阀广泛应用于液压控制系统的调速和延时回路中,稳态液动力(下称“液动力”)是影响单向节流阀性能的关键因素之一,不仅决定换向阻力,同时也影响节流阀的精确控制。

目前常规的动量定律分析方法,随着节流阀腔室结构的多样性和复杂性,已无法详细和准确地描述其动静态过程。而液动力的精确控制对节流阀的优化设计至关重要,特别在于衡量阀芯动态平衡上,以获得单向节流阀良好的动态静性能。因此,必须采用流场仿真的方法对液动力进行计算。此外,为了优化设计,对单向节流阀腔室内部流场的详细分析也是必需的。

为此,本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件对固定节流阀以及改进后的阀腔室3D流场进行详细的CFD计算,研究其流场主要特征参数(射流角、液动力和流量)的变化情况。

在一般使用中,固定式节流阀普遍是截面突然缩小的形式,先对它进行分析;为了提高节流压降,随后设想对固定式节流阀进行改进,使节流阀由一系列的突变形状组成,再对新的流道流场进行分析。

对于固定式节流阀的结构几何模型有如图2-1的结构形式(取一半),是固定式节流阀的最普遍的一种,流体流进一个截面突然缩小的通道,流速增大,压力降低。它相当于一个小孔喷嘴。流体从阀前的主管道流进,再进入阀腔,通过阀芯与阀座的环形流道,流入阀后的下一主管道(直径同阀前)。这里,我们只关心流经节流阀的流场,故所取的控制体是包括节流阀的一段局部结构。

流体在流进、流出节流阀的过程中,先是遇到一个突然扩大的流腔,在流腔中高速回漩,再流经阀芯与阀座形成的节流喉口,最后流经一段扩大的短流道后再流入下一级主管道。在这一局部复杂的流道中,有突然扩大的区域,急剧缩小的节流口,流动方向的急剧改变等流道变化复杂区域,流动现象难以把握。故采用CFD软件进行数值模拟研究。

对图2-1所示的节流阀结构进行简化,得到其CFD计算模型。由于节流阀阀腔结构圆周对称,因此只需对一半阀腔流道进行建模和网格划分。同时,因为节流阀阀口开度较小,其出口腔压力和速度的梯度较大,存在漩涡等复杂流态,故采用局部网格细化。而进口及阀口前区域为高压部分,压力等变化不大,故采用粗网格,如此也可大大减少计算时间。固定式节流阀流场网格划分如图2-2所示,共划分55497个四面体网格。

边界条件:左边边界为流体入口,给定入口边界条件为压力入口5MPa,入口处的紊流强度按来流的5%取值,右边边界为压力出口。其它固壁边界按无滑移边界处理,各种流动参数置为零。

在计算过程中对流体的流动状态做了如下假设:

1)流体均看作不可压缩,恒定的牛顿流体(即速度变化时,动力粘度不变);

2)运动介质为液压油,油液的密度为889kg/m3,动力粘度0.02Pa.S;

3)在计算时选用了标准的k一￡两方程紊流模型。

根据理论分析的经验公式

通过计算,压降值约为3MPa。

通过Fluent 计算后得出固定式节流阀的压力分布及速度分布,如图2-3和2-4。 根据处理发现,在收缩段,很少看到流动的分离,在收缩段中,压力下降,速度显著地增大。 由此看出根据CFD软件计算出的值与经验计算值相差甚小,在工程计算允许的范围之内。

由于目前的固定式节流阀形式的流动阻力达不到所需的要求,不能提供更大的阻力,故必须改进它的设计。当系统中存在多个局部管件时,若个管件的相隔距离大于相应的影响段,则可认为个局部损失各自独立而互不相关,因此总局部损失为各局部损失之和,否则,不能简单相加。根据上述理论我们设想将节流阀的几个局部管件连接起来,并且相隔距离在相应的影响段范围内。这样通过该结构的流动阻力势必很大。

图3-1是改进后流道变化复杂的固定式节流阀的几何结构三维图。由对称性,取一半几何体进行网格划分,其网格模型如图3-2所示。

依据流体力学和紊流理论,流体压头的损失主要由突然缩小的损失、扩大的压力损失、漩涡产生的损失三部分组成。

通过速度等值线云图(图3-1),我们可以发现,在流动方向的截面上,速度遵从紊流的通用速度分布规律(紊流高速区域)。在截面突然扩大的两个区域,无论在x方向还是在y方向的压力图(如图3-2)上,我们观察到:都产生了漩涡,能量损失严重。从以上的三维分析可以看出随着节流孔径的增大,压降越来越小,当孔径增大到一定程度(如22~以上),压降变化越不明显,也就是说此时该新型节流阀节流效果很小了。随着孔径的缩小,压降急剧的上升。通过计算模拟,利用拟合曲线我们得出了当流量确定的情况下,该新型节流阀的压降与小孔直径d的近似关系式如下:

从上式可以看出,阀前后的压差△P随孔径的增加而急剧的减小,与孔径的乘幂成反比。另外,从上述的比较分析可以看出,结果很符合实际流动情况。

从分析中,可以知道,由多个局部阻力构件组成的这种新型固定式节流阀,能提供比单个局部阻力管件提供大得多的节流效率。要想增大通过节流阀的流动阻力,应尽量将多个局部阻力构件紧密的连接在一起,使流道变化得急剧和突然,以达到节流效果。相反,若想减小流动损失,则应避免将相邻局部元件布置在其影响段范围内。