电磁阀的热物理场数值仿真与试验研究

孙 宾， 刘连哲， 黄礼浩， 边志远， 胡文豪

(中国航发控制系统研究所， 江苏无锡 214000)

引言

在液压系统中，电磁阀主要是以电能为驱动，一般由衔铁、铁芯、线圈、弹簧、顶杆、阀芯和阀体等组成，当线圈通电时，线圈产生的电磁力作用于衔铁，衔铁带动顶杆推动阀芯动作来切断或沟通流体，线圈断电电磁力消失，弹簧作用阀芯复位改变流体方向[1]，使得执行机构能够按照负载特性进行工作，是影响燃油系统工作特性的重要控制元件[2]。电磁阀的工作性能主要受压力、温度和功率的影响，尤其是温度。一般来说，电磁阀的工作性能随着温度升高而逐渐衰减，过高的温度会导致电磁阀寿命降低线圈绝缘性能下降， 甚至线圈短路和烧毁[3-5]，电磁阀内部构件的温升是电磁阀热失效的直接原因之一[6]。特别是在航空航天领域，电磁阀的环境条件更加严酷，温度极值大，温差变化大。例如，国外F119发动机控制系统工作温度范围是-40～350℉，短时甚至高达440℉，如此严酷的环境条件必然要求电磁阀具有很高的环境适应性。因此，在桌面设计阶段根据电磁阀实际工况对其热物理场进行数值模拟，预测其温度场分布和最大温升，从而尽早发现过热问题，改进产品设计，避免过热问题的出现，提高产品可靠性，缩短产品研发周期，降低维修成本，节省更多人力物力[7-8]。

电磁阀作为开关阀，是国内外进行液压研究的重要内容[9]。目前，国内外对电磁阀的研究大多是对于它的动态特性及控制，而研究电磁阀的CFD仿真技术正被国内外相关学者广泛应用于电磁阀的流场特性研究，而采用CFD仿真技术对电磁阀热物理场特性的研究较少[10-11]。ANGADI S V等[12]使用有限元法建立了电磁阀模型的多物理场模型，得到了电磁阀的温度场、热变形和应力分布。Mr.Eberhand kallenbach等[13]对通用电磁阀的温度场进行了有限元分析及研究。福州大学利用ANSYS和VB.net对电磁阀进行了三维温度场仿真、交互处理。刘艳芳等建立了某自动变速器液压比例电磁阀的多物理场耦合热力学模型，分析了电磁阀内部的热变形及温度分布。本研究旨在采用CFD仿真软件优化和修正电磁阀热物理场数值仿真模型，提高仿真精度，在一定适用范围内，采用数值仿真的方法预测电磁阀热物理场分布和最大温升，指导电磁阀热设计，具体包括指标分解、确定设计边界和材料选型等。

1 传热机理分析

本研究主要是研究某型航空发动机控制系统上电磁阀的热物理场特性，因此，首先应明确其实际工况，分析其工作机理。本研究中的电磁阀的传热原理，如图1所示，包括电磁阀、壳体(机械液压装置)、流体(空气)，环境大气。该模型的电磁阀内部有线圈，线圈通电后发热，属于热源；流体为常温压缩空气，属于散热部件，用以模拟低压泄漏情况；壳体为受热体，主要作为传热部件；环境大气的温度由实际工况决定，也属于散热部件。

在实际工作过程中，电磁阀安装在壳体内部，其大部分外表面与机械液压装置的金属壳体相接触，电磁阀与壳体之间通过热传导进行传热，壳体外表面通过自然对流进行传热，流体与壳体、电磁阀接触壁面通过对流换热进行传热，流体内部传热有热传导和热对流两种方式，金属壳体内部、电磁阀内部以及壳体和电磁阀接触壁面主要也是通过热传导进行传热。

图1 电磁阀传热原理图

下面对传热理论进行简单介绍，热量的传递方式有三种：热传导、热对流和热辐射，其中，热传导遵循傅里叶定律为：

(1)

热对流换热遵循牛顿冷却公式为：

q″=-h(Ts-Tf)

(2)

式中，q″为热流密度；h为膜传热系数；Ts为固体表面温度；Tf为周围流体温度。

热辐射能量遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律为：

(3)

式中，Q为热流率；q″为热流密度；ε为辐射率；σ为Stefan-Boltzmann常数；A1为辐射面1的面积；F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T1，T2为辐射面1和辐射面2的绝对温度。

本研究的研究对象主要受热传导和热对流影响，热辐射和忽略不计，主要对研究对象的稳态热物理场进行研究和分析。对于稳态热传递，表示热平衡方程的微分方程为：

(4)

[K]{T}={Q}

(5)

式中， [K]为热传导矩阵，包括热传系数、热系数、对流系数及辐射和形状系数； {T}为节点温度向量； {Q}为节点热流率向量[14]。

综上所示，电磁阀受高温环境大气和本体通电发热的综合影响，其内部温度不断升高，同时，常温流体以极小的流动速度缓慢带走较少的热量，随着时间推移，电磁阀及其周围的热物理场逐渐稳定并达到热平衡，此时，电磁阀内部局部温度较高，温升较大，较高的温升会对线圈漆包线工作性能产生重要影响，当温度超过线圈漆包线的耐热温度等级后，漆包线的可靠性会降低，甚至发生失效[15]。为了研究电磁阀热物理场特性，本研究拟采用数值仿真和试验测试相结合的方法来研究该问题。

2 热物理场数值仿真

2.1 模型及网格划分

根据上述电磁阀的实际热物理场模型建立流固耦合数值仿真模型，如图2所示，计算涉及到流体传热，计算模型包括固体域和流体域[16]，模型具体由壳体、电磁阀阀体、线圈I、线圈II、绝缘体I、绝缘体II和流体组成，壳体外围充满环境大气，绝缘体用于等效模拟线圈漆包线表面的绝缘镀层，其结构图如图3所示。

图2 电磁阀流固耦合数值仿真模型

图3 数值仿真模型的结构图

对该仿真模型进行网格划分，并对流体域、电磁阀阀体、绝缘体I和绝缘体II的网格进行细化，网格总单元数约436万，其网格模型剖分图如图4所示。

图4 网格模型的剖分图

2.2 边界条件

由于在环境温度(环境大气的温度)和介质温度一定、电磁阀处于截止态或者低泄漏时，电磁阀的温升最高，使用工况最严酷，因此边界条件设置如下：流体材料为空气，进口温度和出口温度为20 ℃，进口压力0.1 MPa，出口压力0.09 MPa；壳体材料为铝，电磁阀阀体材料为不锈钢，线圈I和线圈II材料为铜；空气、不锈钢和铜的仿真参数按照Fluent软件默认设置；绝缘体I和绝缘体II材料为聚酯亚胺，查阅相关文献，密度取950 kg/m3、综合热导率取0.1 W/m·℃，比热容取2300 J/Kg·℃；环境大气温度为20 ℃或170 ℃，自然对流的对流换热系数为5～25 W/m2·℃，本研究取10 W/m2·℃；线圈I和线圈II通电发热产生的热载荷通过试验的方法获取，见表1。

2.3 仿真结果

根据上述仿真条件，采用Fluent仿真软件开展热物理场数值仿真，当环境温度为20 ℃时，单线圈(线圈I)通电和双线圈(线圈I、线圈II)同时通电的数值仿真结果，如图5、图6所示。

图5 20 ℃时单线圈通电热场仿真云图

表1 不同温度下线圈的热载荷

表中：T为试验温度；U为电磁阀施加电压；I为通过电磁阀线圈I或线圈II的电流；功率P=UI；Q为电磁阀的外加热载荷，其大小等于功率P与线圈体积的比值，“—”表示该线圈不通电，无试验数据。

图6 20 ℃时双线圈通电热场仿真云图

分析仿真结果可知，电磁阀的热物理场在线圈热载荷和大气环境的综合作用下逐渐达到热平衡并稳定，壳体外表与大气接触，散热面积较大，散热性好，因此平均温度较低，而线圈由绝缘体包裹，绝缘体导热性较差，且处于壳体内部，因此整体散热性差，温度最高。由图5、图6可知，环境温度为20 ℃、单线圈通电时，电磁阀的最高温度为73.9 ℃(346.9 K)，壳体平均温度约59 ℃(332 K)；环境温度为20 ℃、双线圈通电时，电磁阀的最高温度为109.9 ℃(382.9 K)，壳体平均温度约89 ℃(362 K)。

当环境温度为170 ℃时，单线圈(线圈1)通电和两个线圈(线圈1、线圈2)同时通电的热场仿真结果，如图7、图8所示。

图7 170 ℃时单线圈通电热场仿真云图

图8 170 ℃时双线圈通电热场仿真云图

由仿真结果可知，环境温度为170 ℃、单线圈通电时，电磁阀的最高温度为190.5 ℃(463.5 K)，壳体平均温度约171.6 ℃(444.6 K)；环境温度为170 ℃、双线圈通电时，电磁阀的最高温度为217.1 ℃ (490.1 K)，壳体平均温度约195.2 ℃(468.2 K)。

3 试验验证

根据图3所示的模型搭建了测试试验系统，试验系统包括电磁阀、测试工装、防爆温箱、气源和管路，试验条件与仿真模型的相应边界条件一致，测试工装用于模拟金属壳体，试验系统如图9所示。分别对电磁阀在环境温度20， 170 ℃下进行了单、双线圈的长试通电试验，单线圈通电为仅线圈I通电，双线圈为线圈I和线圈II同时通电，通电时间均大于30 min，待温度稳定后记录试验结果，见表2。

图9 测试试验系统

表2 电磁阀热物理场试验结果

表中：Tmax为电磁阀(线圈)最高温度；R为线圈电阻；表中的其他符号同表1。

表2中的试验温度、电压、电流及试验前线圈电阻均为实测值，对于电磁阀其温度T下的线圈电阻R符合如下公式：

R20=R/[1+0.00393(T-20)]

(6)

式中，R20为常温20 ℃时的单个线圈电阻。另实测线圈I和线圈II的R20分别为75.4， 75.3 Ω。

4 试验与仿真对比

将上述线圈温度的仿真结果和试验数据进行整理和对比，见表3。由表3可以看出，电磁阀在环境温度20 ℃和170 ℃下的热物理场数值仿真结果与试验数据的最大误差为7.4%，仿真准确度较高，该仿真模型较好地预测了电磁阀热物理场分布情况及最大温升。

表3 电磁阀热物理场仿真结果和试验数据对比

分析上文的数值仿真和测试试验结果可知，电磁阀的热物理场分布和最大温升主要由环境温度和本身通电发热状况决定，同时其内部结构和环境大气的散热状况也会对电磁阀的热物理场分布和最大温升产生重要影响。因此，在设计阶段，一方面可对电磁阀线圈漆包线和其他材料进行合理选型，改善内部结构散热性，降低最大温升；另一方面，根据数值仿真模拟初步确定工作边界，指导极端环境下设计指标的分解和热设计安全余量的预留。

5 结论

本研究采用数值仿真和试验验证相结合的方法对某航空发动机控制系统上的电磁阀的热物理场特性进行了研究，根据试验数据对数值仿真模型和参数进行了合理优化和修正，最终得出了结论，并对于电磁阀热设计产生了实际指导意义，具体如下：

(1) 热物理场数值仿真结果与试验数据的最大误差为7.0%，仿真准确度较高，可用于预测电磁阀的温度场分布，指导电磁阀热设计；

(2) 在实际使用过程中，电磁阀的温度场分布和最大温升主要由环境温度和本身通电发热状况决定，同时其内部结构和环境大气的散热状况也会对电磁阀的热物理场分布和最大温升产生重要影响；

(3) 指导电磁阀线圈漆包线和其他材料的合理选型，改善内部结构散热性，降低最大温升；

(4) 可根据数值仿真模拟初步确定工作边界，指导极端环境指标的分解，预留合理的热设计安全余量，从而提高产品可靠性，降低设计难度和成本，缩短研发迭代周期，具有较高的实际工程应用价值。