基于ADINA的液压锥阀流场解析

张 婧 王基生 张俊俊 宋红文 徐 丹

(西南科技大学制造科学与工程学院 四川绵阳 621010)

锥阀是可移动的锥形阀芯对流体流过截面进行控制的阀，是液压系统中重要元件之一，广泛应用于单向阀、溢流阀、减压阀等各种液压阀中。锥阀在工作过程中，流体在其中的流动情况是十分复杂的，当液体流经锥阀阀口时，其动量、方向、流速都在改变，必然影响到其内部液压力的变化，同时影响到阀的稳定性从而影响到工作装置的稳定性［1－4］。所以，对锥阀流场的研究就显得非常必要。

ADINA作为有限元软件中的一种，在研究流固耦合问题方面有其独特的特点。进行流固耦合计算时，需要分别在ADINA中建立结构模型和流体模型，然后把两个模型一起放到ADINA流固耦合求解器中进行求解。

1 建立模型

1.1 几何模型

在结构上，阀一般由阀体、阀芯和驱使阀芯动作的部件组成。锥阀作用类似旋塞阀，阀口开启时处于工作状态，阀口关闭时，阀芯与阀座孔之间为线密封，因此不仅密封性能好，而且动作灵敏，阀口开启无死区。

液压锥阀有内流式和外流式两种类型，论文以外流式锥阀为研究对象，在AutoCAD，Pro/E软件中分别建立了外流式锥阀的整体模型及二维、三维的流体与结构固体模型。因为锥阀结构是完全对称的，所以进行仿真分析时，流体和结构固体模型只建了一半。如图1所示。

研究不同情况下流体对锥阀的影响，需要建立不同情况下的模型。本文分别建立了开口度2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，开口度为 4 mm 时，入口速度为 0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s与阀芯锥角为 60°，90°，120°，150°流体模型和结构固体模型。

图1 锥阀流体和结构固体模型Fig.1 Themodels of poppet valve’s fluid and structure solid

1.2 数学模型

流体模型假设为牛顿流体、紊流状态，忽略质量力的影响。根据伯努利方程，密度的变化量可近似为，因为流体本身的速度远小于流体的波速，密度变化趋于零，所以假设流体为不可压缩流体。该理想不可压缩流体的微分方程(欧拉方程)如下所示:

2 仿真条件设置

2.1结构固体条件设定

锥阀以45号钢为材料，其材料参数如表1所示。

表1 结构固体材料参数Table1 Structure solid material parameters

二维模型以锥阀阀芯的中心线和阀体的外边界线为约束边界，三维图形中以锥阀阀芯的中心面和阀体的外边界面为约束边界。设定流固耦合模型时，流体与固体同时设定耦合边界条件。在划分网格之前，先划分网格密度。根据本文研究的内容，模型的网格划分类型属于连续网格。二维模型网格密度设定为2，三维模型网格密度设定为0.005。以开口度为2 mm的结构固体模型为例，二维结构固体模型划分了1 452个网格，三维结构固体模型划分出了17 959个网格。

2.2 流体条件设定

本文流体设定为工程机械液压系统常用的液压油。液压油的各个参数如表2所示。

表2 液压油参数Table 2 Hydraulic oil parameters

流体模型特殊边界的设定要与结构固体的设定保持一致。流体模型边界是对称边界，通常施加在两边对称的流动边界上有个条件，这个条件是:

这个条件不需要参数，可以施加在二维的边界线或三维的边界面上。流体模型的特殊边界条件设定完之后，二维图形中的B，C边界(绿色)和三维图形中的B，C面边界(绿色)即为流固耦合边界。

在流体模型上需要施加两个载荷，即进口速度和出口压强。当开口度不同，进口速度相同时，设置速度为0.1 m/s，出口压强为大气压。当开口度相同时，进口速度分别设置为 0.05 m/s，0.10 m/s，0.15 m/s，0.20 m/s，0.25 m/s，出口压强为大气压。

ADINA－F分别支持下列单元类型:2－D流体单元、3－D流体单元。需要注意的是，二维流体模型需要将元素类型设置为平面。

设定网格密度:同结构固体一样，不同的是，阀口附近区域速度梯度与压力梯度较大，因此，流体模型在节流口处各加密10层，即网格密度是其他地方的10倍。模型的网格划分类型属于连续网格，二维和三维模型都选3个节点。以开口度为2 mm流体模型为例，二维流体模型划分了2 329个网格;三维流体模型划分出了52 904个网格。

3 仿真结果及分析

3.1 开口度不同

其他条件相同，对开口度分别为2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的结构固体和流体进行仿真分析。在ADINA的后处理中分别得到了流体速度矢量图、流体和结构固体的压力云图及动画显示。如图2－图4。通过对压力云图和速度矢量图的对比，可以得到表3。

结合表3及压力云图、速度矢量图、动画显示，可以观察到以下一些现象:(1)流体通过锥阀内部时，流场内会产生负压。相同条件下，随着开口度的增大流场内的负压区越小，阀芯受到的压力也越小。当液压油流体通过阀芯时，由于过流空间突然减小，流速会急速增大。(2)在速度矢量图中，可以看到流体通过过流断面后，有主流与壁面相脱离的现象。而且，在流体通过过流断面后，靠近锥阀阀体的一侧与靠近阀芯一侧产生了与流体流向相反方向的漩涡。随着开口度的增大，靠近阀芯一侧的漩涡逐渐减小，靠近阀体一侧的漩涡变化不大。

图2 开口度为8 mm的流体压力云图Fig.2 The fluid pressure cloud chartwith an 8 mm openning position

图3 开口度为8 mm的流体速度矢量图Fig.3 The fluid velocity vector chart with an 8 mm openning position

图4 开口度为8 mm的结构固体压力云图Fig.4 The structure solid pressure cloud chartwith an 8 mm openning position

表3 开口度不同对锥阀内部流场的影响Table 3 The effect of different openning positions on the cone valve interior flow field

3.2 不同入口流速

其他条件相同，开口度是4 mm，对入口流速分别为 0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s的锥阀结构固体和流体进行仿真分析。在ADINA的后处理中分别得到了压力云图、速度矢量图和动画显示。通过入口速度分别为0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s 压力云图和速度矢量图对比，可以得到表4。

表4 进口速度不同对锥阀内部流场的影响Table 4 The effect of different enfrance velocity on the cone valve interior flow field

结合表4及压力云图、速度矢量图、动画显示，可以观察到以下一些现象:(1)由压力云图可以看出锥阀内部的负压区域，阀芯受到的作用力在开口度相同时，入口流速越大，负压区也越大。(2)由速度矢量图可以看出在锥阀流场内产生的漩涡。当其他条件相同时，在阀体内部流场靠近阀体一侧产生的漩涡和靠近阀芯一侧产生的漩涡随着入口流速增大，漩涡区变化基本不大。

3.3 不同阀芯锥角

其他条件相同，开口度是4 mm，对锥阀阀芯锥角分别是 60°，90°，120°，150°的锥阀结构固体和流体进行仿真分析。在ADINA的后处理中分别得到了压力云图、速度矢量图和动画显示。通过锥阀阀芯锥角分别是 60°，90°，120°，150°压力云图和速度矢量图对比分析，可以得到表5。

表5 阀芯锥角不同对锥阀内部流场的影响Table 5 The effect of different conical amgles on the cone valve interior flow field

结合表5及压力云图、速度矢量图、动画显示，可以观察到以下一些现象:(1)当其他条件相同时，阀芯锥角逐渐变大，在阀体内部流场靠近阀体一侧产生的漩涡逐渐减小，靠近阀芯一侧产生的漩涡也在减小但变化不大。(2)流体通过锥阀内部时，流场内会产生负压。阀芯受到的作用力在其他条件相同时，阀芯锥角越大，锥阀流场内部的负压区减小，阀芯力先增大后减小，在90°时最大。当液压油流体通过阀芯时，由于过流空间突然减小，流速急速增大。

4 结论

(1)对锥阀进行仿真研究时，二维模型与三维模型对锥阀内部的流场的定性研究是相同的，得出的结论也是一致的。(2)流场内观察到的负压区和漩涡与锥阀阀芯的开口度、入口流速及阀芯锥角都有关系。大量的仿真结果证明，阀芯的开口度、入口流速及阀芯锥角的大小对阀腔内流场形态及压力分布会产生较大影响，旋涡区域的压力较低，容易产生气穴。因而在阀内流道设计时，可通过结构参数优化的方法减小负压区的面积，以达到减少气穴的目的。

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