基于计算流体动力学的节流阀流量系数研究

解小平，杨 赟

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

基于计算流体动力学的节流阀流量系数研究

解小平，杨 赟

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

节流阀流量系数是缓冲器载荷计算中的一个关键参数。为了确定节流阀的流量系数，利用计算流体动力学软件ADINA-CFD，构造映射网格，采用标准的k-ε湍流模型，对节流阀内部流动进行数值模拟。通过对不同工况下节流阀流场的数值模拟发现：缓冲器节流阀流量系数稳定在某一值，计算得到的缓冲器载荷与试验载荷曲线吻合，表明文中提出的基于ADINA-CFD的数值模拟方法是可行的。

ADINA-CFD；节流阀；流量系数；数值模拟

0 引言

油气式缓冲器是现代起落架上必备的部件，其主要功能是依靠油液通过节流阀产生阻尼来吸收直升机着陆和滑行期间的垂向冲击动能。在起落架着陆性能计算中节流阀流量系数是一个关键参数，它与节流阀油孔结构参数密切相关。以往的工程算法是建立在经典流体理论基础上，处理油孔的形状、分布、倒角形式等均按面积等效原则进行。这种方法有一定的局限性，现有的理论对流量系数的取值没有一个明确定义，对于不同形式的节流阀油孔，其流量系数不尽相同，很多情况下都依赖于试验的方法进行测定。如果在节流阀设计阶段就能从总体上了解其周围油液流动情况，以及不同形式油孔对流量系数的影响，将有利于起落架节流阀优化设计及准确的缓冲器性能计算。

计算流体力学(CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等的相关物理现象进行系统分析。本文以单气腔缓冲器为模型，利用ADINA软件中CFD功能模块对定油孔节流阀周围流场进行分析，得到流场流量、压差等参数。利用公式可以计算出节流阀的流量系数，将其代入落锤计算模型中得到落锤模型的载荷曲线，通过与节流阀落锤试验的载荷曲线进行比较，验证流量系数计算的准确性。

1 物理问题描述和数值方法

1.1 节流阀的几何模型和流体网格

本文针对某起落架定油孔节流阀内部流场进行数值模拟计算。节流阀采用单个固定圆形油孔，节流阀的安装形式如图1所示，经过适当简化后可以确定节流阀的计算区域。由于计算区域及流动是轴对称的，因此采用半平面对称模型计算，网格采用四节点映射网格，如图2所示。

图1 节流阀安装示意图 图2 ADINA计算模型

1.2 参数设置和边界条件

节流阀的工作介质为液压油，其密度为850kg/m3，运动粘性系数为60cSt。节流阀油孔直径为φ12mm，入口速度根据节流阀在缓冲器中的实际情况加以确定，速度取值范围为1～6m/s。油液与缓冲器及节流阀接触的壁面均设置为非滑移壁面，在对称轴位置设置对称边界条件。

1.3 数值计算方法

本文使用的是一种基于有限体积法的FCBI算法，它能局部满足质量守恒和动量守恒，并通过对速度进行插值来满足迎风条件，与其他单元算法相比具有更好的稳定性和精度。求解器使用了ADINA中提供的一种有效的稀疏矩阵(Sparse)求解器，它是基于Gauss消去的直接求解方法，与传统求解器矩阵存储方法不同，它可以大大减小数据存储量和计算时间。

2 节流阀试验

本文采用落锤法对节流阀进行试验。落锤法与落震类似，试验在落震试验台上进行。节流阀试验件安装在缓冲器内，缓冲器活塞杆固定在测力平台上。试验时控制一定质量的落锤自由坠落撞击缓冲装置，通过调整落锤坠落高度来改变撞击的初速度，测量撞击过程的载荷、位移等参数。试验参数见表1。

表1 试验参数

3 数值模拟与试验结果分析

3.1 流量系数与缓冲器载荷

缓冲器中油液由压油腔经过节流阀进入回油腔，在节流阀油孔处油液形成射流而产生断面收缩，液体出流以后有扩散过程。在收缩断面处速度最大，压强最低。随着射流的扩散，流速降低而压强升高。由于阻力而产生损失，压强不能完全恢复。由薄壁孔口出流公式可以推导出流量系数计算公式[1]：

(1)

式中：Q—流经节流阀油液的流量；Ad—油孔过流面积；ρ—油液的密度；ΔP—节流阀前后的压力差。

落锤缓冲器载荷PH由油液压力和摩擦力两部分组成，由公式(1)可以推导出油液压力公式[2]，见公式(2)右边第一项，摩擦力是关于气腔压力的一次函数Ff(P)。

(2)

式中：ρ—油液密度；A1—缓冲器外筒内径；V1—缓冲器压缩过程中瞬时速度；P1—气腔压力；Cq—节流阀油孔面积；Ad—油孔过流面积；Ff—缓冲器摩擦力。

落锤运动过程与落震类似，落锤的运动微分方程组见式(3)。根据SH、V1初始条件求解微分方程组得到缓冲器载荷PH随时间的变化曲线。

(3)

3.2 结果分析

使用ADINA-CFD模块对节流阀流场进行数值模拟，在设置不同入口速度后进行数值模拟，可以获得入口和出口的总压力，然后将获得的压力数据由计算公式(1)计算不同入口速度下的节流阀流量系数，结果见表2。将流量系数Cq代入公式(2)中，可以计算出落锤不同下落速度下缓冲器的载荷，计算结果绘制在图3。A-F六个状态中两条曲线走势基本保持一致，最大载荷值见表2。G状态中仿真计算与试验曲线在0～0.01之间出现偏离，主要是试验时落锤与缓冲器垫了铅块，落锤在高速撞击缓冲器时铅块发生变形起到缓冲的作用，试验载荷上升缓慢，而仿真计算并未考虑铅块的影响。表2中列出载荷的峰值及最大相对误差3.9%，说明本文由ADINA计算得到的流量系数的方法是可行的。

表2 仿真计算与试验结果对比

图3 仿真计算与试验结果对比

4 结论

本文通过建立节流阀模型，利用ADINA计算流体力学功能模块对节流阀二维流场进行数值模拟，并在此基础上模拟了缓冲器在不同压缩速度对流量系数的影响。缓冲器正常工作情况下被研究的节流阀流量系数基本稳定在0.673，通过对比理论仿真计算的载荷曲线与试验载荷曲线，证明文中计算流量系数的方法是可行的。对于不同结构、形状和分布的复杂节流阀，可以通过更为真实的三维流场分析得到解决。可以预见， 把ADINA运用到起落架节流阀设计中，将有助于对节流阀进行优化设计，减少设计时间和费用。

[1] 盛敬超.液压流体力学[M].北京：机械工业出版社，1980.

[2] 航空航天工业部科学技术委员会，编.飞机起落架强度设计指南[M].成都：四川科技出版社，1989.

Research of Throttle Valve’s Discharge Coefficient Based on Computing Fluid Dynamics

XIE Xiaoping，YANG Yun

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Throttle valve’s discharge coefficient is a key parameter of absorber load calculation. To confirm flow coefficient of throttle valve, this paper used computing fluid dynamic software ADINA-CFD to construct mapping grid, and adopted standard k-ε model to simulate the flow of turbulent in throttle. After testing throttle valve’s flow field under different conditions, found that the discharge coefficient of the throttle valve could reach some stable value. Put the discharge coefficient into the absorber load calculation, the value was anatomies to the load curve which out by test. So it showed that numerical simulation based on the ADINA-CFD proposed in this paper was reasonable.

ADINA-CFD；discharge coefficient；numerical simulation

2016-02-26 作者简介：解小平(1989-)，男，江西吉安人，硕士研究生，主要从事直升机起落装置的设计和性能分析研究。

1673-1220(2016)02-032-03

V226+.2；TH137.52+2

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