水液压节流阀流场仿真及与AMESim仿真的比较分析

， ， ， (大连海事大学 交通运输装备与海洋工程学院， 辽宁 大连　116026)

引言

作为水液压传动与控制领域的重点研究对象，水液压节流阀一直受到研究人员的广泛关注。以油液压节流阀为例进行AMESim仿真分析已得到业界普遍认可，但对于水液压节流阀进行AMESim仿真的相关研究甚少，而Fluent流场仿真与AMESim仿真对比分析尚未涉及。球阀式结构因其与锥阀式结构具有相类似的结构特点，其具备了锥阀式结构在水介质适应性方面的优势，保证了阀口良好的密封性能，阀口可以实现零泄漏，同时其可以实现阀口磨损的自动补偿，适用于较高系统压力的工作状况[1]。本研究中的纯水液压节流阀采用球形阀芯的阀口结构形式，利用Fluent流场仿真软件，对纯水液压节流阀流道内流场进行仿真，对阀口处的压力分布和速度分布情况进行了分析研究，并结合AMESim仿真进行对比分析，为纯水节流阀的设计提供了可靠的依据。

1　压电水液压节流阀工作原理

该节流阀的结构如图1所示。该节流阀主要由节流阀本体、阀体连接块和封装式压电驱动器三部分组成。该阀的工作原理为：当压电驱动器通电时，推动推杆向右运动，球形阀芯随着向右运动，此时阀口开启，液流由P口进入阀体，再由出水口A流出阀体，节流阀可通流，当减小压电驱动器的输入电压时，其输出位移相应地减小，弹簧推杆在复位弹簧的作用下，逐步地向左移动，进而使得球形阀芯向左移动，此时节流阀阀口开度将逐步减小，节流阀阀口流量将逐步减小，在工作时通过改变压电驱动器的输入电压，可实现阀口开度的调节，进而实现节流阀阀口流量的调节。

1.封装式压电驱动器　2.连接块　3.阀体　4.推杆 5.球形阀芯　6.弹簧推杆　7.调节推杆A —— 进水口　P —— 出水口

2　压电驱动节流阀AMESim模型

如表1，根据节流阀的结构图可以建立其物理模型。对节流阀进行受力分析，驱动器输出位移逐步增大，阀口开度逐步增大时，内部阀芯的受力情况[2]：

式中，m为阀芯、弹簧和推杆的等效总质量；x为阀芯位移；Fh1为左边弹簧推力；Fh2为右边弹簧推力；Fhs为稳态液动力；Fht为瞬态液动力；Fm为推杆密封圈摩擦力总和；Fv为粘滞性阻力；Ft为驱动器产生的推力。

稳态液动力Fhs：

瞬态液动力Fht：

dm—— 阀口的等效直径(dm=(d1+d2)/2)，mm

r—— 阀芯半径，mm

x—— 阀芯位移，mm

另外CA为阀口处流量系数；L为台肩长度。

表1　仿真模型的主要参数

图2为在AMESim中搭建的压电节流阀仿真模型，根据压电驱动节流阀的机电耦合动力学模型[3]，结合了本压电节流阀本身的结构特点，在AMESim仿真环境下搭建节流阀的静态仿真模型，利用该仿真模型，可以方便地对节流阀的流量位移特性进行仿真分析。

3　节流阀流场仿真

3.1　阀口结构

纯水液压节流阀阀体内部三维流道图，如图3所示。

考虑到流动对称性以及仿真的便捷，假设流体为不可压缩的粘性湍流，流体介质为水，并根据节流阀内部流道的对称性原理，将流道简化为便于仿真分析的二维轴对称几何结构[4]，如图4所示。

图2　压电节流阀仿真模型

图3　阀本体内部流道模型图

图4　纯水液压节流阀阀口二维结构示意图

3.2　网格划分

如图5所示，流道的网格划分是由GAMBIT前处理软件生成阀体流道内的网格，采用了结构性四边形网格单元建立流道网格[5]。由于阀口部分的流动变化非常大且区域小，阀口局部需要添加边界层进行局部细化，以获得更好的求解精度。

图5　节流阀流场网格划分结构图

3.3　计算条件

选择湍流模型为RNGk-ε模型。RNGk-ε模型与标准模型相比，在计算速度梯度较大或有旋转效应的流场中，其精确性更高。流体介质为纯水，密度为998.2 kg/m3，20℃时的黏度系数为1.003×10-6kg/(m·s)。设定控制阀入口为压力入口，其相对压力为6.3 MPa，控制阀出口为压力出口，其相对压力为0.3 MPa。

4　Fluent仿真结果的分析及比较

4.1　Fluent仿真结果的分析

如图6所示是阀口开度x为0.14 mm时的阀本体流场计算结果，阀的入口压力为6.3 MPa，出口为0.3 MPa。 图6a为阀本体的流场压力分布图，阀口处流体高速喷射，压力很快下降[6]，从图可以看出，最小静压力发生在陶瓷球与台阶柱面相接处，达到-2.43 MPa。 并且漩涡区中心压力也较低。图6b为阀本体流场的速度矢量图，可以看出回流是阀腔内流动的主要特征，阀口处发生流体的分离现象，阀腔内形成两个漩涡，一个位于阀座拐角处，它的漩涡体积比较大，另一个位于阀口的下游，液流还未通过阀口撞到壁面形成漩涡，其漩涡体积相对较小，所以回流强度与另一处相比较小。从流线的疏密程度显然可以看出，刚过阀口处的漩涡体积比较大，另一处得漩涡体积较小。由于这两个漩涡的影响，消耗了流体的能量，致使流体的压强和能量下降[7]。由图可看出通过阀腔的流速最高可达120 m/s左右。图6c为控制阀出口的流量变化曲线，可以看出，在阀开始工作时，输出流量不稳定，等工作稳定后，阀的输出流量约为9.78 L/min。

为了研究阀口开度对阀本体流场的影响，其他条件不变，改变阀口开度为0.112 mm。图7所示是阀口开度x为0.112 mm时陶瓷球阀阀口流场的计算结果，从流场压力分布图中可以看出，流场中静压的最小值发生了变化，最小值减小，最小值约为-2.8 MPa。从速度矢量分布图可以看出，同样在阀腔内形成两个漩涡，一个位于阀座拐角处，它的漩涡体积比较大，强度大，另一个位于阀口的右面，液流还未通过阀口撞到拐角壁面形成漩涡，其漩涡体积相对较小，强度弱。比较图6与图7中的流场分布的计算结果可以看出，改变阀口开度，就改变了流场中漩涡的体积大小。与阀口开度0.14 mm的流场比较，阀口开度为0.112 mm时，阀口左右两端的漩涡体积均变小，刚过阀口处的流线变密，刚过阀口处的漩涡体积增大。所以阀口开度压力分布有明显的影响。通过阀体的最高流速约为121 m/s。 由图7c控制阀出口流量变化曲线，可看出，待阀体流场稳定后，阀体的出口流量约为8.46 L/min。与阀口开度为0.14 mm比较，通过阀腔的流量变小，所以得出，当阀的其他条件不变时，阀口的开度越小，流量也越小。

图6　阀口流场数值仿真结果

4.2　Fluent仿真与AMESim仿真结果比较分析

以上对两种阀口开度下的流场结果进行了描述与比较，并对一系列不同阀口开度下通过阀体的流量进行了模拟与分析，为了研究阀口开度对节流阀流量的影响，针对该阀在相同进口和出口边界的条件，对不同开度下的流场进行了模拟与分析。用Fluent仿真软件分别建立阀口开度为0.14 mm、0.112 mm、 0.084 mm、0.056 mm和0.028 mm的仿真模型，且入口压力为6.3 MPa,出口背压为0.3 MPa。

图8为阀口开度与流量的关系曲线，将阀芯位移与流量的Fluent仿真与AMESim仿真结果进行对比，可以得到如下结果：在压差为6 MPa时，随着阀芯位移的不断增大，流量也在不断增大，并且，阀芯位移与流量近似呈线性关系。但是在相同阀芯位移下，Fluent仿真与AMESim仿真计算得到的流量大小存在一定的偏差，当在AMESim模型中将流量系数调整为0.9时，其最大偏差为8.9%，由图可知当流量系数CA取值越大，两种仿真曲线就越接近。虽然两种仿真的结果有差别，但说明了压电驱动节流阀的阀口开度与流量呈线性关系，同时印证了压电驱动节流阀流场仿真模型的准确性。

图7　阀口流场数值仿真结果

图8　阀口开度流量特性曲线图

5　结论

本研究利用Fluent仿真软件对节流阀流场仿真及与AMESim仿真的比较分析，可以得到以下结论：

(1) 流体通过阀口前后，阀腔内会产生回流和漩涡。随着阀口开度的改变，漩涡体积也会发生变化；

(2) 随着阀口开度的不断增大，流量也在不断增大，并且，阀口开度与流量近似呈线性关系。在压差为6 MPa时，节流阀的最大流量为9.2 L/min；

(3) 应用Fluent软件仿真节流阀内部流场得到的结果与AMESim仿真值存在一定的偏差，当在AMESim模型中将流量系数CA调整为0.9时，其最大偏差为8.9%。当流量系数CA取值越大，两种仿真曲线就越接近，同时验证了节流阀仿真模型的准确性。因此，应用Fluent软件可以快速、可靠地分析节流阀的特性，改进其设计，可满足性能要求。

参考文献：

[1]杨华勇,弓永军,周华.纯水液压控制阀的研究进展[J].中国机械工程,2004,(8):1400-1404.

[2]陈巨源.压电驱动低压水液压节流阀性能研究[D].大连：大连海事大学，2011.

[3]李俊宝,熊诗波,杨庆佛.压电主动构件机电耦合动力学建模[J].太原理工大学学报,1998,29(3):305-309.

[4]颜凌云,武鹏飞.基于Fluent的纯水溢流阀阀口流道分析[J].液压气动与密封，2013,(3):22-24.

[5]韩占忠,王敬,兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社,2004.

[6]陈卓如,金朝铭,王洪杰.工程流体力学[M].北京：高等教育出版社,2009.

[7]弓永军.纯水液压控制阀关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.