微型航空气压电磁阀流场仿真分析

陈元恺 郭子昂 赵振平 顾宝龙 孙灿飞

摘要：为了探寻动阀芯开度对微型航空气压电磁阀内部流场的影响，从而找到合适的动阀芯开度范围，同时对电磁阀内部流道进行结构优化，针对某型机载微型航空气压电磁阀进行了数值模拟及流量试验。首先建立了5组动阀芯不同开度时的流道三维模型，接着分别对流道模型进行了6个不同进气压力下的仿真计算，详细分析了动阀芯开度对气压电磁阀内部流场的压力分布、流速、湍流动能、出口流量的影响，同时对出口流量值进行了数据处理，通过与流量实测值进行对比，校核了电磁阀设计经验公式中的重要参数呼吸系数。结果表明，电磁阀开度大于0.3mm可以避免气蚀产生；由于气体经过动阀芯两段对称沟槽后对向喷射进入静阀芯气孔，此区域为电磁阀内湍流强度最大区域。

关键词：微型航空气压电磁阀；动阀芯开度；计算流体力学；呼吸系数

中图分类号：TH138.52+1文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.003

基金项目：航空工业技术创新基金项目（2013F63342R）

微型航空气压电磁阀是飞机机载供氧系统中的气流控制装置，接收到电控信号后能够实现开启与关闭，实现对流经微型航空气压电磁阀的氧气进行通断控制[1]。动阀芯开度[2]是指电磁阀开启状态下动阀芯密封面与出气孔的距离，是关系到微型航空气压电磁阀流通能力的一个关键参数[3-5]。

在电磁阀设计过程中，动阀芯开度值的设计一直以来都是困扰设计人员的一个难题[6]。目前该领域电磁阀开度值的设计主要有两种方法，一种是由经验公式计算所得，另一种是借助计算流体力学技术进行仿真[7-10]。对于采用经验公式计算的方法，由于不同种类的电磁阀产品的使用工况、流道结构差异较大，导致最终实际流通能力与设计值偏差较大[10-14]。因此本研究通过对微型航空气压电磁阀内部进行流场仿真来分析动阀芯开度对电磁阀内气流特性的影响，校核其设计参数——呼吸系数，针对内部气体流动情况来给出减少流动能量散耗的结构优化措施，为微型航空气压电磁阀系列产品的流道结构设计及阀芯开度值的精确设计提供指导。

1微型航空气压电磁阀工作原理

微型航空气压电磁阀内部结构如图1所示，正常情况下封垫座在弹簧力的作用下通过密封垫压紧阀头上的出气嘴，使压缩气体被密封；用直流电源给线圈组件通电时，线圈组件内产生磁场（阀芯起聚集磁力线、增强磁场的作用），封垫座在电磁力的作用下移动，从而使阀头的出气嘴打开。

2微型航空气压电磁阀流道几何模型

气体流经该气压电磁阀的途径依次为：气嘴进气口、动阀芯侧面沟槽、静阀芯气孔和阀壳出气口。在三维建模软件中建立气体流经的路径几何模型，如图2所示。

当动阀芯开度不一样时，气流状态将发生改变，为了探索该气压电磁阀动阀芯开度对其内部流场的影响，本文建立了5组不同开度的流道模型，分别为开度d=0.1mm，d=0.2mm，d= 0.3mm，d=0.4mm，d=0.5mm，流道模型剖视图如图3所示。

3数值模拟

3.1网格划分

流道模型创建好之后需要进行完网格划分，本模型采用四面体网格对流道进行划分，在流道截面变化剧烈的位置进行了网格加密，来实现较为平顺的过渡。采用了网格比较研究保证计算结果的网格无关性。网格划分结果如图4所示。

3.2设置边界条件及计算

入口设置为压力入口，出口为压力出口，其余流道表面为壁面，假设空气为不可压缩，且空气从入口到出口的流体时间极短，来不及与外界发生热交换，可看作是绝热流体。

使用三维稳态隐式求解器，选择湍流模型配合N-S控制方程，差分格式为二阶迎风。针对5组动阀芯不同开度时的流道三维模型，分别计算了其在6个不同进气压力（0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa）下的流动特性。

4仿真结果分析

4.1出口流量仿真值与实测值对比

将开度为0.3mm时的电磁阀试验件出口流量仿真Q值與实测值比较，如图5所示，平均误差为3.8%，证明了数值模拟结果的可靠性。

4.2出口流量分析及λ值校核

将各模型不同压力下出口流量数据绘制成折线图，如图6所示。从图6可以看出，入口压力从0.1MPa增加到0.6 MPa各流道模型的出口流量均增大，且增大趋势随着压力增大略有减小；同一入口压力下，随着开度增大，电磁阀出口流量变大，开度从0.1mm增大为0.3mm时，出口流量增大值最显著，开度从0.3mm增大为0.5mm时，出口流量增大值较小。

式（1）为电磁阀设计中流量估算经验公式，电磁阀入口孔直径D=1.2mm，将数值模拟得到的流量值代入式（1）可得表1。

求其算术平均值可得λ=0.642，处于设计取值范围0.5～0.7区间，与设计时取值0.6接近，误差为7%，验证了数值模拟结果的可靠性，0.6为该微型航空气压电磁阀较为精确的呼吸系数推荐值。

4.3常态工作时阀芯开度对流场影响分析

该微型航空气压电磁阀常态工作压力为0.4MPa，故对入口压力为0.4MPa时，动阀芯开度分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm时，流场压力、流速、湍流动能情况进行分析，分别将数值模拟结果后处理，如图7～图9所示。

从图7压力云图可以看出，电磁阀内部流场压力变化主要分布在入口与动阀芯连接处、动阀芯沟槽与静阀芯过渡处、静阀芯与阀壳出气口连接处，这几处均为流道截面突变处；动阀芯开度为0.1mm时，气体流经入口与动阀芯连接处，这几处均为流道截面突变处；动阀芯开度为0.1mm时，可以看到在入口与动阀芯连接的流域出现了明显的负压区域，负压区的出现可能导致气蚀，破坏动阀芯保护膜，使其表面形成许多细小麻点。形成了旋涡区，随着动阀芯开度增大，旋涡区的范围增大，这是因为小开度起到了很显著的截流效果，令流场后程流速急剧减小，因此旋涡区范围减小。

从图9湍流动能云图可以看出，气体从动阀芯沟槽流入静阀芯气孔的这一流场区域是整个气压电磁阀流场湍流强度最大的一段，这是由于气体经过两段对称沟槽后，在这一区域对向喷射，造成了非常大的能量散耗。

5结论

本文通过建立不同开度的微型航空气压电磁阀模型，基于计算流体力学（CFD）对其进行了流场仿真，对仿真结果进行了分析与处理，可以得出以下结论：

（1）通过对仿真结果出口流量值的统计与处理，得出气压电磁阀的呼吸系数λ=0.642，与设计值0.6接近，证明了开度0.1mm增加到0.3mm时，气压电磁阀出口流量增益最显著，开度大于0.3mm后，开度对出口流量的增益较小。

（2）电磁阀流场压力变化主要分布于流道截面突变处，开度小于0.2 mm时，入口与动阀芯连接的流域出现明显的负压区域，此处易导致气蚀现象，开度大于0.3 mm时，该处负压区域消失。

（3）电磁阀流场内湍流强度最大区域位于动阀芯沟槽流入静阀芯气孔处，造成此现象的原因是气体经过动阀芯两段对称沟槽后，在这一区域对向喷射，可以通过适当改变动阀芯沟槽末端角度，引导气体斜向射入气孔，来实现减少能量散耗、增大出口流量的目的。

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作者简介

陈元恺（1989-）男，工程师，硕士。主要研究方向：气动执行元器件的研发。

Tel：13788991947E-mail：chenyuankai007@163.com

Flow Field Simulation Analysis of Micro Pneumatic Solenoid Valve

Chen Yuankai1，*，Guo Ziang1，Zhao Zhenping1，Gu Baolong1，2，Sun Canfei1，2

1. AVIC Shanghai Aero Mersurement-Controlling Institude，Shanghai 201601，China

2. Key Laboratory of Aviation Technology for Fault Diagnosis and Health Management Research，Shanghai 201601，China

Abstract： To explore the influence of the dynamic spool opening on the internal flow field of the micro pneumatic solenoid valve， and find out the suitable range of dynamic spool opening values， numerical simulation of a certain type of micro pneumatic solenoid valve are carried out. Firstly， five groups of flow path model are built， then carry out the simulation calculations of the flow path model under 6 different inlet pressures， analyze effects of the opening values on five parameters， process the data of the outlet flow value. Results show that cavitation can be avoided when the spool opening is greater than 0.3m. The gases pass through the two symmetrical grooves， then injects into stomata of the static spool in opposite direction， this area is the largest turbulence intensity in the pneumatic solenoid valve.

Key Words： micro pneumatic solenoid valve； dynamic spool opening； computation fluid dynamics； respiratory coefficient