大流量多路阀稳态液动力仿真分析

张 宏，关天元，周思聪，张瑞轩，张端政

(大连理工大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116024)

引言

多路阀是多联换向阀集成于一体的多功能换向阀，能够对不同的执行机构实现同时控制，从而实现执行机构的复合动作，在各种工程机械有着广泛应用[1-3]。在多路阀中，稳态液动力是影响其性能的关键因素。当多路阀中通过流量较大时，稳态液动力较为明显，会对多路阀阀芯的操控性能产生较大的影响，易出现液动力大于操控力而使阀芯动作失效的情况[4]。因此，稳态液动力分析与研究一直是国内外学者重点研究的问题，许多学者应用理论推导、试验或者仿真的手段对多路阀的特性展开了研究。

艾超等[5-8]对多路阀的动态特性和静态性能进行了分析，指出了多路阀的局部存在压力损失和稳态液动力等现象，通过仿真和试验等手段，分析了影响压力损失和稳态液动力的关键部位和因素，同时研究了阀芯在不同开度的情况下的稳态液动力的变化情况。杨庆俊等[9-11]针对不同节流槽以及流道形式的阀类原件进行仿真和试验分析，对不同形式的节流槽等结构对压力损失和稳态液动力等关键参数的影响进行了探讨，同时提出了阀类元件结构优化方案，为阀类元件的设计和研究提供了指导。对于多路阀稳态液动力相关研究来说，由于试验条件的限制，并不能直观的观察多路阀内流场的状态以及阀芯内部壁面受力的情况。同时对于数值模拟的方法来讲，往往由于缺少相关试验数据作为参照，导致边界模型选取的不准确，并不能真实的模拟流场的真实情况。本研究采用试验和仿真结合的方法，利用试验数据验证仿真结果，证明仿真方法的可行性，同时对不同湍流模型下的稳态液动力仿真结果进行对比，为大流量下多路阀稳态液动力准确预测提供了参考。

1 物理模型

1.1 多路阀仿真模型建立

多路阀主要由首联、尾联和基本联三个部分组成，其中基本联的数量可以根据工程的实际需求进行增减，如图1为多路阀基本联结构。

图1 多路阀基本联结构

根据多路阀结构建立三维模型，在Workbench中对流道模型进行抽取，将流道模型进行网格划分并导入到Fluent中进行仿真。仿真中入口P采用质量流量入口，出口T采用压力出口。仿真中流体介质属性参照实际工程中使用的46#液压油，其物理属性如表1所示。

表1 工作介质的物理属性

在流场仿真当中边界条件的选择是仿真的关键，多路阀内流场由于约束壁面的复杂形式造成了其不规律性，所以需要选择合适的边界条件和湍流模型，但由于单一的数值模拟方法无法验证仿真模型的准确性，所以本研究采用试验和仿真相结合的研究方式来解决这一问题。以试验数据为基准，利用仿真数据拟合试验数据，不断修正边界条件，修正仿真中的误差。

1.2 多路阀阀芯受力测试试验

本研究采取试验测试的方法对仿真模型进行验证，试验中需要测试P，T，A，B 4个阀口的压力值，以及阀芯在不同流量和开度下受力的情况，其试验原理图如图2所示。

图2 试验原理图

试验中共设置4个测压点，分别测量阀P，T，A，B 4个位置的压力情况。拉压力传感器直接与阀芯相连并且固定，通过螺纹进给的方式调整并且固定阀口开度。阀芯和测力仪之间连接杆良好的刚性，传感器和多路阀的定位良好是降低误差的重要保证。流量计用来监测和调整通过测试阀的流量大小。试验时A，B口之间采用无负载的连接方式。试验所采用的传感器型号和相关参数如表2所示，试验系统连接图如图3所示。

表2 试验用传感器相关参数

1.拉压力传感器 2.涡轮流量计 3.动力源 4.连接管路 5.试验多路阀 6.压力传感器图3 现场试验测试系统连接

图3为试验测试的连接情况，由于在流量较小时，阀芯受力的效果并不明显，所以试验时分别测量流量100, 140, 150, 160 L/min的情况下阀芯全行程下的受力情况。试验过程中阀口的开度由固定拉压力传感器的螺纹进给台架控制，测量阀口开度间隔为0.5 mm。在每一个开度下多次测量拉压力数值，取稳定后的数值计算平均值，防止由于螺纹卡等顿等因素造成的误差。在阀芯另一端用电子显示的游标卡尺再进行测量阀芯的伸出长度，确保阀芯开度位置的准确性。在每一个开度下分别记录P，T，A，B 4个阀口的压力，以及阀芯的受力情况。

试验结果表明在节流槽刚开启时，阀口节流作用明显，阀芯受力较为明显，阀芯在开启时出现明显的卡顿状态，液动力呈现阻止阀芯开启的趋势。下文将以试验所测的稳态液动力数据为基础，对仿真过程中的湍流模型选取进行分析，对比不同湍流模型下稳态液动力的仿真结果。

2 湍流模型与流场仿真分析

2.1 湍流模型的选择

在流体机械的仿真模拟当中使用最为广泛的是由Jones与Launder提出的标准k-ε模型与k-ω模型等两方程模型发展而来的RNGk-ε、Realizablek-ε、SSTk-ω模型。和普通的直管内均匀的流动状态不同，多路阀内容腔结构复杂，流道内流动状态多样，特别典型的是在节流发生的位置、流道转弯处和近壁面等处，因此在仿真中确定具有更好适应性和准确性模型至关重要[12]。本研究将采用这三种湍流模型进行模拟仿真并和试验数据进行对比，从而确定更加适合多路阀流场仿真分析的湍流模型。

2.2 不同湍流模型下仿真结果对比

在同样的进出口边界值以及算法模型下对比100, 140, 160 L/min流量状态下稳态液动力试验数据和仿真数据，结果如图4～图6所示。图中纵坐标Fx表示阀芯受力，横坐标X表示阀芯位移。

由图4～图6可知，在同样的进出口边界值以及算法模型下，采用不同的湍流模型对阀芯受力的计算结果产生了较大的影响。整体上三种模型的仿真结果能够较好的拟合试验结果趋势，但对于每个不同的阀口开度而言，采用不同的湍流模型得出的结果有较大差异。分别观察100, 140, 160 L/min下三种不同的湍流模型仿真和试验的参数对比，可以看出本研究选择的三种湍流模型中，Realizablek-ε模型在多路阀模型仿真中更加贴近试验数据。和RNGk-ε、SSTk-ω相比，Realizablek-ε模型能得出更加准确的结果。

图4 100 L/min下不同湍流模型的数据对比

图5 140 L/min下不同湍流模型的数据对比

图6 160 L/min下不同湍流模型的数据对比

如图7所示，对比150 L/min下Realizablek-ε的仿真结果与试验结果并结合图4～图6可以发现，该模型下的仿真结果和试验数据有着较好的契合度，整体和仿真之间的误差较小。这是由于Realizablek-ε模型为湍流黏性方程增加了一个公式，以及对耗散率方程做出的调整，使得该模型在强流线弯曲、漩涡和旋转流场中有更好的适应性。

图7 Realizable k-ε模型仿真与试验数据对比

但是采用Realizablek-ε模型也不能完全拟合试验数据，从仿真的角度分析，在Fluent仿真过程中，软件中所求的合力主要包括两部分，一部分是由于动量变化所产生的阀芯台阶上的液动力，另一部分来自于介质黏度产生的黏性力。由于阀芯表面受力的情况比较复杂，除了液动力和黏性力，阀芯在移动过程，由于其径向不平衡力的作用导致阀芯和阀体之间有可能产生轻微的摩擦，同样，由于加工过程中直线度和平面度的误差，也会导致误差的产生。因此仿真和实验之间存在一定的误差，但是在一定误差范围内，可以采用仿真数据对多路阀稳态液动力进行分析。

通过上面的分析可知，Realizablek-ε模型在多路阀流场仿真分析和稳态液动力预测中具有更好的表现，该模型较其他两种湍流模型更适合该类多路阀仿真模型，基本能满足对多路阀结构设计和优化仿真的需求。

3 流场仿真结果分析

3.1 压力仿真云图分析

根据前文的仿真分析方法，对不同开度下的多路阀模型进行仿真分析。多路阀的开度范围为0～6 mm,仿真选取的开度间隔为0.5 mm。得到的仿真结果如下：

对比不同开度下的压力云图8及图9可以看出，在流动过程中压力的损失主要发生在入口处第一次节流时，在节流口处压力变化明显，呈现明显的压力变化梯度，在其他节流区域压力总体梯度较小，压力损失并不明显。通过对比不同开度下的压力云图可知，阀口开度越小压力变化越剧烈，阀口开度越大，阀口压力变化越平缓。

图8 2.4 mm阀口开度压力云图

图9 6 mm阀口开度压力云图

3.2 速度仿真云图分析

从节流入口处的速度云图10、图11和速度矢量图12、图13中可看出，在阀芯开度较小时，液流由于阀口处通流面积较小，受到强烈的导流作用，液流从节流口处射出并沿壁面流动。射流作用越明显，越容易产生稳态液动力。当阀口开度增大时，射流作用减弱，但是流量增大同样引起稳态液动力的增大。

图10 2.4 mm阀口开度速度云图

图11 6 mm阀口开度速度云图

从节流入口处速度矢量图中可看出，在阀芯开度较小时，当液体流过阀口，在阀芯沟槽底部拐角处有漩涡产生，这是因为阀芯结构为直角，液体流经阀口后，流体不能进行直角转弯，流线扩散受阻，靠近阀腔的流体受到影响，产生旋转，从而形成漩涡。在漩涡产生的地方，由于压力降低，湍动能增大，漩涡的产生会带来能量损失。

图12 2.4 mm阀口开度速度矢量云图

图13 6 mm阀口开度速度矢量云图

随着节流口开度增加，阀口导流作用逐渐变弱，射流强度减小，涡流现象明显减弱。射流角度由小变大流向逐渐偏向轴向方向，最后不变。由此可知，传统的方法采用动量差法估计稳态液动力的大小是不准确的，其表达式为：

式中，Cc—— 油液流经节流入口时的收缩系数

ω—— 阀口节流槽面积梯度

Cv—— 流体通过阀口时的速度系数

x—— 阀口开度

Δp—— 阀口压力差

α1—— 射流角度[8]

传统的理论认为射流角度α1保持69°不变，但是通过速度云图可以看出，射流角度随阀口开度变化而变化，所以采用动量差法估计稳态液动力是不准确的，其理论计算结果和试验以及仿真结果对比如图14所示，可以发现采用理论计算的方法在一定程度上可以模拟液动力变化的趋势，但是在具体数值上误差较大，相比较之下，采用数值模拟的方法得到得数值较为准确。

图14 理论计算、仿真及试验结果对比

4 结论

通过试验与仿真结合的方式，分析了多路阀内油液流动状态，得到以下结论:

(1) 通过与试验数据相对比，分别比较了3种不同湍流模型在Fluent仿真中对于仿真结果的影响，结果表明对于研究的多路阀，以试验数据为基准，采用Realizablek-ε模型稳态液动力仿真结果较为准确，采用不同湍流模型对于计算结果的影响比较明显；

(2) 多路阀在阀口刚开启时易产生较大稳态液动力，在阀口处流速急剧增大，压力梯度变化明显，且在直角处容易产生涡流，湍动能增大，增加能量损失。随着阀口开度增大，节流口处压力梯度减小，阀口处节流槽对液流的导流作用减小，射流角度发生变化，所以在理论计算中采用统一的射流角度是不准确的，如液动力对多路阀操作性能影响较大时，采取本研究的数值求解方法及模型，可以提高对稳态液动力的预测的准确程度。