基于COMSOL液压节流阀内部流场数值模拟研究

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(1.中国矿业大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116; 2.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州 310027)

引言

节流阀在液压系统中起到流量控制等重要作用。但是当阀内流体与过流部件发生高速相对运动时，极易产生空化现象，破坏流体的连续性，使流场特征更加复杂，并影响节流阀的使用性能和寿命[1]。此外，空化形成的气泡在流经压力恢复区时，会发生溃灭，引发诸如材料损伤、振动、噪声等问题[2]。因此， 对节流阀

内部流动特性开展相关研究对节流阀的优化设计具有重要的理论意义。

随着液压技术的兴起、液压技术自身发展需求和流场仿真及检测技术的提高，针对液压元件及系统开展更多深入研究是一种发展趋势。 随着CAD/CAE技术的发展,特别是计算流体动力学的发展,对阀体进行流场数值模拟成了目前对控制阀进行设计及优化的重要手段。闫登强等[3]对传统的阀体与阀芯结构提出了几种改进方案,应用Fluent对其内部流场及压力场进行分析,并与传统结构进行比，对改进阀座、阀芯的结构有很大的参考价值。于今等[4]建立了板式节流阀的三维模型，运用CFD仿真软件对节流阀内部流场进行了数值模拟，并指出阀芯处的气蚀以及阀出口处的漩涡流对阀工作寿命的影响。冀宏等[5]解析推导了三种典型阀口过流面积，并分析了阀芯移动过程中发生的阀口迁移现象。晏静江等[6]针对各参数对液压滑阀流场影响的不确定性，建立了U型节流槽液压滑阀计算流体动力学三维模型，分别从阀口开度、槽口深度和工作压差三个方面对该模型进行分析，得出液压油速度场分布以及高速射流区域的形状和大小的变化趋势。杨国来等[7]运用Fluent软件研究了节流阀小开度，即开度介于0.04 mm和2 mm 之间的工况下的流场特征和最小稳定流量之间的关系。

上述工作都是在开度较大或开度间隔较大情况下对流场特性进行研究讨论，在小开度下的U型节流阀内部流场特性的研究少有报到，本文基于Comsol有限元分析软件对U型节流阀进行三维数值仿真，研究开度细微变化下节流阀体内部流场特征。研究结果可为优化阀体内部结构、提高液压系统的稳定性，延长阀体的使用寿命提供参考。

1 数值计算模型

1.1 COMSOL软件介绍

COMSOL Multiphysics作为一款基于全新有限元理论， 直接针对偏微分方程为研究对象的大型数值仿真软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。

COMSOL Multiphysics软件核心包中集成了大量的物理模型，它们针对不同的物理领域：声学、热传导、AC-DC、电磁场、静电场、静磁场、不可压缩流体、结构力学、波动方程、广义偏微分方程等。这些模块都有各自的方程，可以单独使用一个模块的方程对物理模型进行模拟计算，也可以根据不同的需要，从多个模块中选不同的方程组合起来对模型进行计算。另外，可以结合不同的模型，自己创建偏微分方程对模型进行求解。COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用[8]。

1.2 数值模型

本研究使用COMSOL的湍流模块建立U型节流阀内部结构图如图1所示。a为流道模型剖视图，b为该阀芯模型三维图，该节流阀阀芯上下各有一个U型节流槽。流体从入口流入，经台肩上的U型节流槽由出口流出。图中固定节流槽口长度为1.75 mm，槽口宽度为1.5 mm，槽口深度为1.5 mm。其中节流阀开口度分别取0.2 mm，0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm，1.0 mm,1.2 mm。

图1 U型节流阀模型结构图

考虑到U型节流阀结构具有对称性，且为减小计算工作量，网格划分采用四面体单元生成非结构化网格。由于节流口附近流道变化较大，流体流场特性必然随之急剧变化。因此，为了得到更好解析流场及计算的收敛性，本研究对节流口处的网格进行加密细化。此外，在每一个角点处都进行局部细化。边界条件如图2所示：将剖开截面处设置为对称边界条件；其他边界设置为壁面，壁面采用无滑移条件；进出口处均采用压力边界条件：入口压力为0.3 MPa；出口压力为0.1 MPa，参考压力为一个大气压。建立COMSOL三维模型，选择湍流模块，并采用k-ε模型，阀内流体介质选用水，并视为不可压缩流体，设置稳态求解。

1.3 控制方程

采用标准k-ε模型作为封闭方程，得到了流体在节流阀流动所满足的控制方程[9]。

图2 数值计算模型

湍流时均运动基本方程为：

(1)

湍动能方程(k方程)：

(3)

(4)

(5)

式中，i=1，2，3；j=1，2，3；ρ为流体密度；p为压力；μt为湍动黏度，k是湍动能，ε是湍动耗散率。标准k-ε方程中的相关常数为：

cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1，σε=1.3

2 计算结果分析

2.1 压力场分析

图3为U型节流阀内压力分布图。从图中可以看出：流道内压力较大的区域位于进口腔，约为3×105Pa，压力较小的区域位于出口腔，约为1×105Pa。进口腔的压力远大于出口腔的压力，而且同一腔内压力几乎不变。压降区主要分布在节流口处，这是由于流体在流经节流口时，因通流截面积突然缩小，流速急剧增大，压力也随着下降。若压力降至液体饱和蒸汽压下，将会形成空化现象[10]。此外，从图中还可以看出，随着阀口开度的增加，压降在节流口处变得缓和，压降区域向节流口扩展。这是由于节流阀开度的增加减弱了节流口的节流作用，但节流口仍是压力降低的主要区域。故适当增大开度有利于减小空化程度。

图3 不同开度下阀体内部压力分布图

2.2 速度场分析

图4是U型节流阀内部速度分布。从图中可以看出：远离节流口处阀内流体速度较低且变化较为缓和，在节流口附近速度最大且流速急剧变化，形成射流区域。随着开度的变化，高速射流区最大速度基本相同，但随着阀口开度的变化，高速射流区域的大小、形状和位置均发生了变化。开度较大时高速射流区域较大，主要分布在槽口入流口。随着开度的减小，高速射流区域不断减少且向槽口后方移动。这是由于U型节流槽的阀口迁移现象引起的[11]。

图4 不同开度下阀体内部速度分布图

图5是出射角度与开度的变化关系图。从图中可以看出：随着阀口开度不断增大，流体出阀口的出射角(出射方向与轴线的夹角) 不断减小。开度为0.2 mm时，出射角最大，约为73.5°。当开度从0.2 mm增加到1.2 mm时，出射角度线性减小，逐渐下降至60°。由此我们可以推测， 当出射角减小至某一值α时， 出射流体将冲击管道壁面，形成回流区域，易产生空化现象[12]。

图5 出射角度与开度变化关系图

3 结论

基于单相流动的控制方程和湍流模型，本研究采用基于软件COMSOL Multiphysics数值分析了不同开度下节流阀内部的流场特性。结果表明：

(1) 流体在流经节流口时，流速急剧增大，高速液体绕物体和绕角点流动的压力急剧减少。若压力降至液体饱和蒸汽压下，将会形成空化现象。所以节流阀进出口压差不宜过大；

(2) 由于开度很小，所以阀体上下腔压力较为均匀稳定，在节流口处压降较大， 且随着开度的增大，压力变化逐渐缓和，故适当增大开度有利于减小空化程度；

(3) 高速射流区最大速度基本相同，但高速射流区域的大小、形状和位置都随着开度变化而改变。所以，阀口开度是影响高速射流区分布的重要因素。

参考文献：

[1] 欧特尔.普朗特流体力学基础[M].北京:科学出版社,2008:420-423.

[2] 冀宏,傅新,杨华勇,王庆丰.节流槽型阀口噪声特性试验研究[J].机械工程学报,2004,40(11):42-46.

[3] 闫登强.基于Fluent的不同阀芯与阀体组合的数值模拟研究[J].机械工程与自动化,2011：25-29.

[4] 于今,刘彬.基于节流阀内流场的管道震动分析[J].流体传动与控制,2012,9(54):21-23.

[5] 冀宏.几种典型液压阀口过流面积分析及计算[J].机床与液压,2003,(5):14-16.

[6] 晏静江.液压滑阀U型节流槽速度场的CFD解析[J].机械科学与技术,2012,(9):1508-1511.

[7] 杨国来,杨长安,刘志刚,马一春.节流阀小开度下流场仿真和最小稳定流量研究[J].机床与液压,2009,(9):109-111.

[8] 张骅毅.主动磁悬浮轴承的分析及优化[D].上海：上海交通大学,2010.

[9] 杨倩.基于不同湍流模型的离心泵内部流场数值模拟与分析[D].兰州：兰州理工大学,2010.

[10] 黄继汤.空化与空蚀的原理及应用[M].北京:清华大学出版社,1991.

[11] 冀宏.液压阀芯节流槽气穴噪声特性的研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[12] 陆亮.液压节流阀中的空化流动与噪声[D].杭州：浙江大学,2012.