流场可视化的高职课堂教学应用

2020-01-11山西工程职业学院李优白柳

河北农机 2020年1期

山西工程职业学院李优白柳

“液压与气压传动”是机械工程最主要的专业基础课程之一，是培养具有创新精神和实践能力强的机械制造类人才必须的专业课程[1]。同时也是机械设备中发展最快的技术之一，特别是近年来与微电子、计算机电子技术结合进入一个新的发展阶段，该课程对于培养学生的职业技能有着重要作用[2]。为增进学生的理论学习与实践，大部分高职院校都引进了各类实训平台或者工程机械开展实训教学课程，学生可以通过实操增进对所学知识的理解[3]。例如学生在学习《机械设计基础》时可以通过实训观察到齿轮、铰链连杆传动等机构的工作状态，实训效果好。

1 液压与气动课程教学存在的不足

液压系统的工作压力一般在0.1MPa～30MPa，实训时学生只能看到液压缸等执行机构传动完的结果，虽然可以通过液压系统图或者多媒体教学软件了解流体在系统内的流动方向，但是当具体到某一液压元件如各类阀、泵、马达等时，仅仅以一个机能符号予以表示，对元件内部的工作状态及工作介质的压力、流速、能量等关键参数的状态则理解不深。液压和气压传动必须在密闭空间内以高压力工作，流体流经元件的动力学特性、流动情况无法直观表现，而这些又是深入学习这门课程的关键。为解决这一问题，实训室一般采用透视性强的材料如聚甲基丙烯酸甲酯制成模型来展示液体在系统中的流动状态，而该材料的最高工作压力在5MPa 以内，对更高压力工况下流体的流动情况则没有较好方法，且系统的负载、压力、环境等因素跟实际工况存在较大差距，与流体在元件内的实际流动情况不符。此外，流体在不同压力下表现出来的工作性能也有差异，高压工况下气穴、噪声、冲击等对元件工作性能、使用寿命有较大影响的现象在课堂讲授时显得尤为抽象，教师授课办法不多，学生理解困难。

计算流体力学（CFD）是数值数学和计算机科学结合的产物，以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，使得流体在高压工况下的工作状态得以通过计算机模拟的形式展示出来[4]。目前这项技术主要应用于流体领域的科学研究和工程技术中，能够较为理想的模拟流场的分布情况，而将其研究结果应用于高等教育基础学科教学中可帮助学生深入理解课堂知识点、提高学生学习效率和学习兴趣，在促进高等教育理论学科向应用型技术领域转化等方面起到积极作用。

液压阀作为液压系统的控制元件主要实现换向、调速、调压等功能，是液压系统中不可或缺的组成部分，也是结构最复杂、精细的部分，阀内流体的流场分布对阀的动态特性有很大影响。以两款方向阀的流场仿真分析结果为例介绍流场可视化在高等教学课堂的应用，通过介绍流体的压力、流速、能量分布更加形象地帮助学生深入学习阀的工作原理。

2 液压阀流场可视化在高职课堂的应用

2.1 液控单向阀流场可视化应用

以某型双联带卸荷阀芯式液控单向阀大小阀芯同步打开3mm 时为对象仿真。如图1、2 为液控单向阀大小阀芯同步开启3mm 时的流场速度分布云图和静压力分布云图，由图可知乳化液主要从大阀芯阀口处流出，平均流速约为86m/s，大阀芯流量约247.7L/min；小阀芯阀口处乳化液的流速只有24.3m/s 左右，小阀芯的流量约7.08L/min，此时流量总共约509.6L/min。在大阀芯与阀座组成的阀道最窄的部位速度最大，接近117m/s，对应在阀尖角处易出现负压，极易发生气穴和噪声，对锥阀和阀座的表面会造成极大的损伤。通过对尖角部位进行倒圆角处理可以有效降低该部位压力变化现象，缓解压力损失。由静压力分布云图可以看出在小阀芯与控制杆组成的封闭容腔内的压力要高于外腔压力，导致大小阀芯受力不均发生压力冲击、阀芯振动，使阀芯重复启闭。

图1 大小阀芯位移3mm 速度分布云图

图2 大小阀芯位移3mm 静压力分布云图

图3 为控制杆出口处的流体速度矢量放大图，由图可知乳化液主要从大阀芯流出，小阀芯处流速比大阀芯处低，且在出口处发生漩涡，产生能量损耗。由于小阀芯阀口处乳化液不能大量流出，造成小阀芯容腔卸压不明显，压力高于大阀芯外腔。说明液控单向阀工作原理为小阀芯先期小流量卸压，大阀芯后期大流量泄流，故卸荷式液控单向阀的公称流量和公称压力一般高于不带卸荷阀芯的液控单向阀。图4 为大阀芯锥面静压力分布云图，由图可知锥面小端压力普遍比大端压力大，说明大阀芯小端锥面容易受到损伤，应在设计时采取相应措施提高锥面的强度和刚度，以延长大阀芯使用寿命。

图3 控制杆出口速度矢量放大图

图4 大阀芯锥面上静压力分布云图

2.2 电液换向阀流场可视化应用

以某型电液换向阀的主阀打开过程为分析对象进行仿真。图5 为流场的静压力分布云图，可以看到阀芯内部流场压力变化较大，在进口处压力最大，根据Fluent 的表面积分功能得到进口处的压力为32.18MPa，得进出口压差为7.18MPa。流体从阀套进入阀芯内部时由于过流面积突然减小，压力降低约4MPa，是压力损失主要集中的部位，在阀芯主流道区域压力分布均匀。同时，阀芯两侧存在约1MPa 压力差，容易造成阀芯受力不平衡进而在阀体内偏心卡死，应改善进液方式或采用其他措施予以优化。从图6 流场的速度分布云图可以看出，流速最大的地方出现在阀口处及刚进入阀芯主通道处（达109m/s），也是压降最大的地方，结合液控单向阀的分析结果可知流体流速变化明显的地方能量损失显著。在进油节流阀口处，流体的速度变化大，说明此处的油液动量变化大，对阀芯与阀套的压力冲击也较大，对阀芯的寿命和工作性能产生较大影响。

图5 电液换向阀主阀流场的静压力分布云图

图6 电液换向阀主阀流场的速度分布云图

由图7 流场的湍动能分布云图可以看出，最大湍动能为84.8m2/s2，湍动能大的部位能量损失大，该区域为阀芯主通道两侧入口处，结合速度矢量图可知该区域也是漩涡产生的地方。

图7 电液换向阀主阀流场的湍动能分布云图

3 流场可视化在高职课堂教学的创新应用

目前高职高专的教材以介绍元件和系统的工作原理为主，辅以相应的动画模型解释，而对液压系统的压力、流速、流量分布情况则涉及不多，学生对流体与元件间的相互作用机理理解不深。高职院校学生在校时间短且学业紧张，专业学术基础薄弱，教学任务以强化学生实践能力为主，不具备深入学习的条件。相较于传统教学模式，将流场可视化数值模拟结论直接应用于课堂教学不仅有助于学生理解，更容易激发学生的学习兴趣和积极性。将流体传动领域目前主流的计算机辅助设计方法引进课堂教学，既可以加深学生对液压元件、液压系统的理解，又给学生介绍了元件容易损坏的部位和相应结构优化的方式方法，还提前了解了专业高端领域的主流分析方法。