基于Fluent的压电高速开关阀动态流场分析

宋　敏　朱建公

(西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室　四川绵阳　621010)

高速开关阀作为一种新型结构阀与传统的电液伺服阀相比具有体积小、控制精度高、控制灵活度强、成本低廉、抗污染能力强等优点,可以替代制造成本高、污染敏感度强的液压伺服阀,特别适用于煤矿、冶金、锻压以及工程等污染环境特别严重的机械设备中。压电高速开关锥阀是近几年发展起来的一种新型高速开关阀,响应速度快,结构简单,压电驱动器所需安装空间小,可直接由计算机进行控制[1]，但目前对压电高速开关阀内部流场的动态研究工作较少,因此研究压电高速开关阀的内部动态流场对高速开关阀阀芯结构的优化具有现实意义和理论价值。

文献[2]对低速液压锥阀的内部流场进行了动态数值化模拟和可视化分析, 文献[3]对插装型液压控制锥阀流场进行了三维可视化数值模拟与仿真研究,文献[4]对水基超磁致高速开关阀流场进行了静态分析,文献[5]利用Fluent对静态电磁锥阀的内部流场进行了三维仿真与分析。上述研究为液压锥阀结构的优化提供了重要参考,但是对于高速开关锥阀内部流场的动态分析暂未见文献报道。

涡流的形成会造成压力的损失，影响流量的稳定性，产生气蚀和噪音[6]。张迪嘉等在研究插装型液压锥阀气穴形成的因素时得到：当液压油流经阀口时,通流面积减小,流速急剧增加,使阀口两端产生压力差,当阀口节流处压力低于当时温度下的液压油饱和蒸气压时,阀口内部流体呈现气液两相,即气穴现象[7]。因此流道中的负压区和进出口压差都易引发气穴现象。文中采用profile文件和Fluent中的动网格来控制高速开关阀阀芯的高速往复运动，得到了压电高速开关阀的内部动态流场，通过对比相同开口度下动态压电高速开关阀与静态锥阀的压力云图、流线图,观察动态高速开关阀的负压区与涡流区的分布情况,寻找改进方法,提出了一种带尾锥结构的高速开关阀，并与原结构的高速开关阀进行动态流场对比,以期为压电高速开关锥阀阀芯结构的优化提供参考。

1　压电高速开关阀结构与原理

图1是压电高速开关锥阀的结构图。压电高速开关阀的打开过程：当压电高速开关阀获得PWM控制的低电平电压信号后,压电驱动器断电,压电驱动器恢复到原长,阀芯在弹簧力的作用下向上移动,此时进口A与出口B连通,油液连通,开关阀打开；压电高速开关阀的关闭过程：当压电高速开关阀获得PWM控制的高电平电压信号后,压电驱动器产生逆压电效应,输出相应位移,克服弹簧压力,推动阀芯快速向下移动,此时A与B断开,油液断开,开关阀关闭。压电高速开关阀就是在PWM信号的控制下通过压电驱动器的得电和失电来控制高速开关阀连续高频率的通断。

图1　压电高速开关锥阀结构图Fig.1　Structure diagram of a piezoelectric high-speed switch cone valve

2　Fluent分析模型及网格的划分

2.1　几何建模

由于阀体内部流域是三维对称流动的,因此只需选取流域的一半做为研究对象,以此提高计算效率。文章中的锥阀属于进口节流锥阀,锥阀的直径φ18 mm，半锥角45°，应用UG建立了锥阀的流道模型，如图2所示，左边是进口，下边为出口。

图2　锥阀内部流域的几何模型Fig.2　The geometric model of the inner basin of the cone valve

2.2　网格划分

网格划分的精度和质量不仅影响着计算的精度同时还影响着计算的效率以及后期动网格计算的出错率,质量好的网格需要具有适当的网格疏密度,既能保证计算精度又能提高计算效率。根据模型的结构特点及动网格计算的需求,本研究采用的是非结构化网格。通过多次划分、调整网格,最终网格的划分情况如图3所示。

图3　网格划分Fig.3　Grid partition

网格节点数为75 676个，网格单元总数为410 477个,通过质量检测,该网格的最小正交质量为0.255 844,最大纵横比例为15.135 3,网格质量较好,适合用于计算。

3　基本方程

3.1　k-ε模型方程

由于压电高速开关锥阀尺寸小,流速快,阀芯搅动频率大,内部流场接近于完全湍流,因此研究时选用标准k-ε模型,忽略分子之间的黏性,且假定液体不可压缩。标准的k-ε模型方程[5]如下：

湍动动能k方程：

(1)

湍动能耗散率ε方程：

(2)

(3)

式中μ1为层流黏性系数；μt为湍流黏性系数；Gk为层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb为浮力产生的湍动能；C1ε,C2ε,C3ε,σk,σε为经验常数；Gμ为湍流常数。在Fluent中模型常量一般取值为C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

3.2　动网格条件下的流场控制方程

本研究涉及到网格的运动，网格在运动过程中其内部控制体也将产生变化，一般采用积分的形式来表示诸守恒方程[2]：

(4)

式中φ为通用变量，代表u,v,p的求解变量；Γ为广义扩散系数，代表μeff,μ+μt/σk，μ+μt/σε；Sφ为φ的源项；∂V为控制体积V的边界。

4　边界条件与参数的设定

4.1　流域参数

入口条件：速度入口8 m/s；出口条件：压力出口，设置为大气0.1 MPa；液压油：流体密度为860 kg/m3；动力黏度0.025 N·s/m2，油液为不可压缩。

4.2　动网格设定

选用弹性光顺法和局部重构法对流域进行动网格设定，阀芯的锥面及底面设置为刚体，顶面设置为静止面，阀芯非锥面的壁面设置为可变形面。导入已编写好的阀芯速度的profile文件用以控制被设置为刚体面的移动速度。profile文件中存有5个周期的阀芯启闭速度数据，用以计算高速开关阀5个启闭周期的流体运动状态，得到了高速开关阀启闭时流体运动的稳定状态。

高速开关阀的一个周期的时间为0.003 1 s，Fluent计算所选用的时间步长为0.000 02 s，总步数为775步。

5　Fluent计算结果分析

5.1　相同开口度下动态高速开关锥阀与静态锥阀流场的比较分析

通过Fluent计算得到了在相同参数设置条件下开口度同为0.5,1,2 mm时的动态高速开关锥阀及静态锥阀的速度流线图和压力云图(图4)，同时做了如下分析。

流场对比分析：观察流场中产生涡流的大小和位置对解决开关阀的气蚀、腐蚀、噪声等问题有很大的帮助。通过观察图4，对比3组图片中的流线图可以看出：阀芯在高速运动的动态流场情况下开口处左右两边的涡流由大变小的幅度十分明显，且涡流逐渐由开口处向阀出口处消散，当开口达到2 mm时，右边的涡流基本消散，而静态锥阀开口处的左右两边更易产生涡流，且产生的涡流面积较大，随着开口度的增加静态锥阀的涡流面积虽有所减小但减小幅度不大，当开口度达到2 mm时，仍可以看到左右两边存在很清晰的涡流，说明阀芯在高速运动时所产生的气蚀、腐蚀、噪声等问题更小。

压力对比分析：通过对比3组不同开口度的同一平面压力云图，可看出动态高速开关锥阀的压力云图负压区较小，仅出现在阀座附近的极小区域，压力变化平缓，而静态锥阀的负压区出现在阀座附近的一大片区域，压力变化非常剧烈，容易形成气穴，产生噪音，耗散大量的能量。

5.2　相同开口度下动态高速开关有无尾锥锥阀的流场比较分析

图5中的带有尾锥的高速开关锥阀，入射角为69°，半径2 mm，带尾锥的动态高速开关阀的参数设定与不带尾锥的高速开关阀参数设定完全相同。

图4　动态高速开关锥阀和静态锥阀的流场比较Fig.4　Comparison of the flow field between the dynamic high-speed switch cone valve and the static cone valve

流场对比分析：通过对比分析图5的速度流线图，可看出在相同开口度下，带有尾锥的高速开关阀开口处的涡流得到消除，但却在尾锥底部形成了两个较大的涡流，在阀芯的底部容易产生气穴，引起震动和噪声。

压力对比分析：通过对3组图中的压力云图看出在开口度为0.5 mm时带尾锥的高速开关阀开口处的负压区更小，随着开口度的增加带尾锥的高速开关锥阀压力变化更加平稳，能量耗散更小。

6　结论

文章对比分析了动态压电高速开关锥阀与静态锥阀的内部流场状态，同时提出了一种带有尾锥的新型阀芯结构并对比分析了有无尾锥情况下的动态高速开关锥阀的内部流场。

(1) 通过对比相同开口度下动态高速开关锥阀与静态锥阀的流线图和压力云图得到：静态锥阀在左右两侧所形成的涡流面积远大于动态的高速开关锥阀，且随开口度的增加涡旋减小的幅度也远小于动态高速开关锥阀，同时静态锥阀在开口处的负压区远大于动态高速开关锥阀，极易产生空化现象，发生气蚀，引起噪音。

(2) 在相同开口度下，带有尾锥的动态高速开关锥阀流场开口处的涡旋得以消除，但同时在阀芯的底部却形成了两个大小相近方向相反的涡旋，对比分析压力云图时可以看出带尾锥的高速开关阀压力损失更小，这表明高速开关锥阀设计尾锥可以起到在开口处消除涡旋、降低压力损失的目的，但同时也会引起阀芯底部形成涡旋，可以根据所需进一步进行改进。

本研究可为高速开关阀内部阀芯结构的优化提供参考。

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[5]李荣,冯永保,刘杰,等. 基于Fluent的电磁阀内部流场的三维仿真与分析[J].液压与气动,2013,(10):96-98.

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