动圈式伺服阀内部流场的数值模拟

黄 浩,姚 笔,金晓宏,杨 阳

(武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉,430081)

电液伺服阀因其具有体积小、功率放大率高、直线性好、死区小、响应速度快、运动平稳、能适应模拟量和数字量调制等优点,在冶金、航空等行业中都得到广泛应用[1-2]。本文运用Fluent软件,对动圈式电液伺服阀(简称动圈阀)中的流体进行分析,研究其前置级滑阀在运动过程中内部流场的分布特性。

1 动圈阀前置级滑阀结构

动圈阀的主滑阀兼作前置级滑阀的阀套(如图1所示),在平衡位置时,节点a和b的压力相同,主滑阀保持不动。如果前置级滑阀在动圈作用下向左运动,a点压力降低,b点压力上升,主滑阀随之向左运动。由于主滑阀又兼作前置级滑阀的阀套(位置反馈),故当主滑阀向左移动的距离与前置级滑阀一致时,主滑阀停止运动。同样,在前置级滑阀向右运动时,主滑阀也随之向右移动相同的距离[3]。

图1 动圈式伺服阀结构原理图Fig.1 Schematic structure of moving coil servo valve

2 建模

为了研究前置级滑阀在这一过程中内部流场的分布规律,在建立数值分析模型时,主要考虑前置级滑阀阀芯在运动过程中与主滑阀形成的阀口的变化给内部流场带来的影响,因此根据前置级滑阀实际工作时与主阀芯(前置级的阀套)的配合,忽略主阀芯和主阀套的配合,将模型简化,如图2所示。

图2 滑阀模型简化图(中位)Fig.2 Simplification model of spool valve(in the middle position)

图3 滑阀网格划分图Fig.3 Mesh of spool valve

模型建好后,采用Fluent前处理器Gambit软件生成网格,如图3所示。为了更加准确地模拟前置级滑阀在运动过程中流场的瞬态变化,采用动态网格的计算方式,运用C语言编写阀芯的运动函数并在Fluent中进行编译,分别将阀芯运动区域中需要压缩或拉伸的各边(包括Wall和Axis上的各条线段)设置为变形体(Deforming),再将阀芯上需要移动的部分统一设置为刚性体(Rigid Body),使用UDF文件加载并控制此运动,阀芯从中位开始直到阀口趋于关闭(运动距离约为1 mm,时间约为20 MS)[4]。

阀芯的运动方程为:

式中:S为阀芯的运动距离,mm;t为运动时间,MS;υ0为阀芯在X方向的运动速度,mm/s;a=(F±Ff)/m,其中:F为电磁力,N;Ff为液体阻力,N;m为导阀芯质量,kg。

网格划分好以后,根据动圈式伺服阀在工作中的实际情况,为确保模拟的精确性,建立了如下的边界条件:

(1)将导阀入口P(inlet)定义为速度入口边界条件。一方面是为了能够较为精确地模拟出阀体内部的流场情况(速度入口边界条件用于定义流动入口边界的速度和标量),另一方面在阀体实际的工作状况中,流体的速率波动比压力波动要小。

(2)将导阀出口T(outlet)定义为压力出口边界条件。这是因为压力油经过阀体后进入液压缸(或马达)后,它的压力是相对稳定的(仅有阀体的压力损失),压力出口边界条件适用于压力已知但是流动速度或速率未知的情况[5-6]。

计算过程中对流体和流动状态进行了如下设置:①流动状态为层流;②流场中的流动是单相流,且不可压缩;③流体与壁面接触的边界为移动壁面。

在设定好边界条件后,通过连续性方程和动量方程,对流道进行迭代计算。

3 仿真结果与分析

3.1 流道流场模拟结果

图4为迭代计算过程中流体的动态残差图和质量监测图。残差曲线和质量流量是衡量计算收敛的主要指标。从图4中可以明显看出,迭代180次后,残差监测变化曲线趋于收敛,出口质量流量在迭代50次后也达到稳定值,可见仿真计算已经趋于收敛。

图4 残差和质量监测变化曲线Fig.4 Monitoring curve of residual and mass

图5所示为不同时刻的仿真结果。从图5中可以清晰地看出,随着前置级滑阀阀芯的运动,当t约为4 MS时,左边的流腔在图5(a)中1点处出现了漩涡区,这是由于随着阀口通流面积的减小,虽然流速增加,但流过阀口的流量总体减小,导致有一部分流体在阀肩的凸起处出现回流,回流量增加到一定时,漩涡就出现了。而当t约为8 MS时,图5(b)中阀口2点处也出现了漩涡,阀口愈来愈小,漩涡的面积越来越大,也越来越明显。并且在前置级滑阀向右移动的过程中,开始时两边的流速一样,流体能够同时到达阀腔的中间。随着左边阀口的变小、右边阀口的增大,两边流体的速度出现了差异(左边快,右边慢),流体流过的横向距离也发生了明显的变化,左边的流体由阀腔中间逐渐向右边侵蚀,右边的流体流过的横向距离减小,在迹线图中表现为左边的一股流体越来越粗,右边的则越来越细,如图5(c)中3点处所示。但是流量的变化却刚好相反,左边的通流面积不断减小,右边的通流面积不断增大,这一矛盾也正好解释了阀口下方漩涡的面积越来越大的现象。阀口接近关闭的时刻(t约为20 MS),左边主流与壁面脱离的现象很严重,而右边这一现象不太明显。

3.2 仿真结果的验证

为了验证仿真结果的真实性,根据不同时刻流过前置级滑阀阀口的流体流量,运用下列理论流量公式加以验证:

图5 不同时刻流体迹线图Fig.5 Tracing line at different times

式中:Q为流过阀口的流量,L/m in;m为质量流量,kg/s;Cq为流量系数;Av为阀门的有效通流面积,mm2;ΔP为阀口前后的压差,Pa;ρ为流过阀口的流体密度,kg/m3。

由式(3)可得:

理论上,在相同时刻,不同流体的Av和ΔP是一样的,又由于水的密度ρH2O为998.2 kg/m3,而四氧化二氮的密度ρN2O为1 450 kg/m3,故

采用两种不同的介质(H2O和N2O4),从阀口中位趋向关闭的运动过程中,使用Fluent仿真得到出口(outlet)处流体的质量流量图,如图6所示。由图6(a)和图6(b)中的数据可计算出流经阀口的H2O和N2O4质量流量比的仿真值。

图6 质量流量图Fig.6 Mass flow diagram

表1 流经阀口的H2 O和N2 O4质量流量比值Table.1 Ratios of mass flow of H2 O and N2O4

表1给出了阀门从中位趋向关闭过程中,某一时刻两种介质质量流量比的仿真值及其与理论值的偏差。从表1中可以看出,在给定的运动时间范围内,质量流量比的仿真值和理论值的最大偏差仅为0.022%。这是由于仿真过程中,不同介质的物理性质(黏性、比热容等)都对压差和流量有一定影响,所以比值会有所差异,但总体来说误差不大,表明仿真结果比较客观、准确。

4 结语

本文对动圈伺服阀的前置级滑阀内部流场进行了仿真分析。由分析结果可知,对于一个精确的电液伺服阀模型,运用Fluent软件对其进行不同输入条件的数值模拟计算,能够得到较为准确的速度矢量和质量流量图。与传统的分析方式相比,Fluent软件可以更为迅速、可靠地分析出电液伺服阀的特性,为伺服阀的优化设计提供依据。

[1] 吕敏建.工业用动圈式电液伺服阀仿真与优化研究[D].武汉:武汉科技大学,2007.

[2] Kazuhiko O.Hydrodynamic characteristics of a butterfly valve—prediction of torque characteristics[J].ISA Transactions,1995,34:327-333.

[3] 李良.基于现场总线的数字式自诊断电液伺服系统的研究[D].武汉:武汉科技大学,2006.

[4] 韩占中,王敬,兰小平,等.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,2005.

[5] 王瑞金,张凯,王刚,等.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007.

[6] Osman T A,Mokhtar M O.Evaluation of the flow forces on an open center directional control valve by means of a computational fluid dynamic analysis[J].Energy Conversion,2006,29(3):233-239.