电液控制主阀三维流动特性可视化分析

张盼盼

（山西煤炭管理干部学院 煤矿安全工程系，太原 030006）

0 引 言

主阀是液压支架电液控制系统的重要组成部分，主阀性能对整个液压系统的效率和稳定性有直接的影响。由于主阀采用整体插装式结构，高压液体在流经主阀时，首先通过阀体，然后进入主阀，各部分结构复杂，经常会遇到突扩、突缩、弯曲流道等，不可避免地会产生漩涡、回流、脱壁并重新附着腔壁等流动现象［1］。如果设计不当，可能会造成内部流道能量损失过大，气蚀和振动，加剧阀的腐蚀，寿命降低，并因此直接影响整个系统的性能。FLUENT 是当前比较流行的CFD 软件包，用于模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。它具有丰富的物理模型、灵活和功能强大的自适应网格技术，从而有效地解决各个领域的复杂的流动计算问题［2］。基于这些特点，本文提出了在FLUENT6.3 版本上对主阀的三维流场进行数值模拟与可视化分析，为进一步确定影响主阀性能的因素，优化流道设计提供理论参考。

1 几何模型

1.1 主阀的工作原理

图1 主阀结构简图

在图1 所示的主阀的结构示意图中，当先导阀电磁铁断电时，主阀工作口A 由于受到弹簧力作用，与回液口T 接通，与高压口P 隔开，此时主阀关闭。当电磁铁通电时，高压液体先由先导阀入口进入主阀阀腔，当积蓄的压力大于主阀的调定弹簧力，顶杆与阀腔产生相对位移，促使主阀阀口打开，主阀进入工作状态，高压液体推动液压支架各执行元件完成相应动作［3］。电磁铁再次断电时，主阀的工作口A 又与回液口T 相通，与高压口P 隔开，从而实现卸载。

1.2 三维建模及网格划分

在Pro/E 下建立的流道三维几何模型如图2 所示。

图2 流道的三维模型

网格是CFD 模型的几何表达形式，FLUENT 公司开发的网格划分软件GAMBIT 可实现与Pro/E 三维模型的数据转换，并且能解决模型转换的失真问题。在GAMBIT下，导入主阀流道的三维模型，然后进行网格划分，为了提高仿真的准确性，网格划分密度较大。网格采用非结构化混合单元Tet/Hybrid，主要为四面体单元，个别位置为六面体［4］。为了提高收敛速度，对阀体结构作了一些简化，忽略加工时的倒角与圆角等，流场三维网格模型如图3。

2 仿真分析

2.1 边界条件与介质特性

图3 三维模型网格划分示意图

水流在主阀内流动状态主要是紊流，选择标准k-ε紊流模型来模拟，不考虑热交换影响。用连续性方程、雷诺时均Navier-Stokes 方程来描述整个流动过程［5］。模拟流体为不可压缩液态水，密度为998.2 kg/m3，动力黏度为0.001 003 kg/（m·s-1），且假定水为黏性牛顿流体，不考虑水重力的影响。流体与壁面接触的边界为静止壁面。选用入口压力和出口压力为边界条件。当主阀加载时，入口压力由乳化液泵站提供，它的值为31.5 MPa。阀口完全打开时达到额定流量，立柱液压缸内压力为24.5 MPa，即为出口压力。

2.2 仿真结果分析

通过数值模拟，得到流体的压力、流线、速度、紊动能情况，分析如下：

1）从图4（a）看出：流体从流道进入阀体后，压力逐渐变小。其中在进液套的通液孔和顶杆的通液孔处，压力损失较大。

图4 流场模拟结果

2）从图4（b）中可以看出：流线在流道右端有间断，说明存在流动死区。在流经顶杆腔内及流出阀体前的腔壁均形成明显的漩涡区，将产生能量损耗。

3）由图4（c）、图4（d）看出：流体流入阀体时，由于过流面积的减小，使流速增大，在进液套口处速度达到最大值，在节流口处，出现了主流与壁面脱离的现象。在阀体拐角孔处、出口处的腔壁及顶杆腔内均形成漩涡区，这些漩涡会引起流体能量损失和噪声。

4）从图4（e）、图4（f）来看，流速大的地方，紊动能也相应较大，在顶杆腔内的漩涡区紊动能值为238 m2/s2，流出阀体前的腔壁漩涡处紊动能为159 m2/s2，可见漩涡区增大了能量的损耗。

3 稳态液动力分析

稳态液动力是指阀口处在某开度下，由于液体流速大小及方向发生改变，液流对阀芯产生的作用力，对阀性能影响较大的为稳态液动力的轴向分力，其计算公式为

其中：Cd为阀芯补充系数；d1为阀芯的小直径；d 为阀芯直径；x 为阀开口度；α 为半锥角；ps为阀节流口出口压力；p2为阀出口压力。

当阀开口度为4.8 mm，入口压力维持在31.5 MPa，压差分别为7 MPa、12 MPa、17.5 MPa 和21 MPa 时，阀芯所受的轴向稳态液动力曲线如图5。当压差为16.5MPa，开口度分别为1mm、2 mm、3 mm、4 mm、4.8 mm 时，阀芯所受的轴向稳态液动力曲线如图6。

由图5 可以看出，当阀开口度为4.8 mm 时，入口压力恒定，压差越大，稳态液动力越大，与理论计算结果保持一致，所以影响稳态液动力大小的主要因素是压差。由图6可知，当压差一定时，随着开口度的增大，稳态液动力逐渐减小，与理论计算结果相一致。当开口度较小时，液动力的仿真值与理论值差别较大，随着开口度增大，液动力的仿真值与理论值趋于一致。主要原因是仿真过程中，开口度越小，节流口处产生的漩涡越严重，加剧了能量损失，产生的稳态液动力较大。

4 结 语

本研究通过对电液控制主阀内部流场进行数值模拟，得出流道内能量损失和流动死区的具体位置。在阀开口度一定、进出口压差大的工况下，阀芯所受稳态液动力较大。上述研究结果可为后续对阀芯结构进行局部优化、流道合理设计等方面工作奠定理论基础。

图5 不同压差时阀芯所受轴向稳态液动力曲线

图6 不同开口度时阀芯所受轴向稳态液动力曲线

［1］ 黄兴.液压技术创新及发展趋势［J］.机床与液压，2005（12）：19-21.

［2］ 温正.FLUENT 流体计算应用教程［M］.北京：清华大学出版社，2009：5-8.

［3］ 钱欣，季宏斌，钱鹏,等.二通插装阀的工作原理与故障排除［J］.机械加工技术，2004（3）：21-23.

［4］ 许慧，赵斌.液压锥阀内部流场的CFD 动态仿真［J］.机械管理开发，2007（6）：55-56.

［5］ 兰晋.电磁先导阀的动态特性仿真与流场分析［D］.太原：太原理工大学，2012：50-51.