液压阀内流场CFD方法研究的国外现状综述

王旭东

摘 要：通過文献检索和查阅，对当今国外关于液压阀内流场的CFD研究方法进行了追踪和了解，特别是对液压阀内流场的仿真计算和可视化分析给予了特别关注，这些将有助于国内研究者们进行借鉴和参考，更好地掌握相关研究手段。

关键词：液压阀;流场;CFD

中图分类号：TH137.52 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0055-02

0 引言

二十一世纪是流体传动与控制技术逐步走向成熟和完善的时代，在迅猛发展的现代控制技术大潮中，这种技术既承担了传动的任务，更是作为一种精确的控制手段，在现代控制工程中，发挥着越来越重要的作用[1]。

液压阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件，可以用来控制液体的流动方向，控制液体压力，调整液流的流量，进而调节液压系统的各项性能[2]。为了能够深入了解和分析研究液压阀体内部的复杂流场，一门新兴的流场研究技术CFD快速发展起来，使用这项技术对阀体在复杂工况下的内部流动状态进行仿真和计算[3]，成为液压技术领域中新的研究热点。

1 液压阀内流场CFD方法研究国外研究现状

近年来，应用CFD方法对液压阀内流场进行多维建模仿真并进行迭代计算，同时运用计算机可视化技术对结果加以分析，已逐渐成为该领域的研究热点。国外许多学者和专家采用CFD方法对液压阀内流场进行了大量研究工作。

1.1 涡量法仿真研究

日本学者TetsuhiroTsukiji、Yoshikazusuzuki采用涡量法对液压油用锥阀内部三维轴向流动进行了数值仿真，分析了锥阀的内部流动情况[4]。这种方法与边界元法结合能很好地解决紊流以及移动边界问题。

1.2 气穴流场研究

ShigeruOSHIMA，TimoLEINO等在“水压锥阀气穴流场的试验研究”[5]文章中，对水压锥形阀的内部流动和外部流动这两种情况进行了试验研究，并将结果与先前的油液锥阀研究结果进行了对比分析，得到了在施加不同的压力情况下，锥形阀的节流口处的液体压力数值、阀口流量系数值和液体质量流动率的数值，及阀芯上的压力数值，并绘制出了相应参数的分布图。这一试验成果，对相应的理论研究和进行多种数值的仿真模拟提供了很好的试验依据。

1.3 锥阀射流研究

在YuKeshen、KojiTakahashi、Tomoyasu等撰写的“锥阀射流的数值分析”[6]一文中，研究者创新运用了流线坐标法，对液压锥阀的流场进行了数值仿真，分析了锥阀和球形阀的内流场，给出了锥阀流场的压力和液动力的作用结果。

1.4 气蚀现象研究

在这同一时期，S BERNAD、R SUSAN等人聚焦阀的2D稳态流，针对阀体内部的单向流和多相流流场，运用CFD技术进行了模拟分析，将研究结果发表在了“锥阀阀腔内部的气蚀现象”[7]的论文里。该研究采用的锥阀建模结构如图1所示，图2为该模型的轴对称计算区域。

Priyatosh Barman等进一步对3D滑阀模型进行了流场仿真研究[8]，其结构简图如图3所示。在这个研究项目中，STAR-3D仿真软件得到了充分使用。特别是针对两相流动液体的仿真计算效果良好，分别获得了液压阀阀内流场的压力、速度和气体体积分布图。研究结果表明，在大流量、高压差作用下，阀内液流区域具有相当的可能性形成汽化现象，而当汽化出现后，气泡的破裂冲击作用，会对阀体及阀芯表面造成明显的气蚀破坏。显然，该项研究结果对改进滑阀内腔结构设计、抑制气蚀产生具有积极的指导意义。

Qinghuiyuan，Perry Y. Li Yoshinari Nakamura，Seiiehi Washio，Koya Syojino[9]等人用实验方法详细研究了锥阀动静态特性;M.Kipping[10]对液压滑阀在三种不同流体介质工作条件下的内部流场进行了实验和数值分析;M.Dietze[11]对不同锥角下的液压阀分别建立了二维和三维模型，并进行了数值仿真分析，仿真结果与实验结果基本符合。

2 结语

从国外研究现状可知，CFD方法已广泛应用于对液压阀流场特性进行仿真计算及阀体结构的优化设计方面，在具体流场仿真过程中大多采用CFD软件进行求解计算，且仿真结果基本与实验结果吻合，说明CFD方法合理可行，并且相对于其他方法能节省大量的人力和物力，其研究成果可为阀的优化设计提供重要的理论依据及实际参考价值。

参考文献

[1] 王益群.张伟流体传动及控制技术的评述[J].机械工程学报，2003，39（10）：95-99.

[2] 路甬祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3] 淑娟，刘楷安，孙雪丽.基于CFD的液压锥阀内部流场的数值模拟分析[J].华北水利水电学院学报，2008，29（2）：56-58.

[4] TetsuhiroTsukiji .Flow analysis in oil hydraulic valve using vortex method[C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[5] Shigeru OSHIMA，Timo LEINO，Matti LINJAMA.experimental study on cavitation in water hydraulic poppet valve[C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[6] YuKeshen， KojiTakahashi，Tomoyasu.Numerical Analysis of the Jet Issuing From a Poppet Valve[C].In：machanical   meeting  paper volume of japanm，2002.

[7] S BERNAD，R SUSAN-RESIGA，I ANTON，et al.Vortex Flow Modeling Inside the Poppet Valve Chamber[C].Bath Workshop on Power Transmissi-on and Motion Control（PTMC）.Bath.2001.

[8] Priyatosh Barman.Computational  Fluid  Dynamics （CFD）  Analysis to Predict to and Control the Cavitation Erosion in a Hydraulic Control Valve[C].In：SAE World Congress.Detroit，Michigan，USA，2002.

[9] Yoshinari Nakamura，Seiiehi Washio，Koya Syojino.Measurement and modeling of poppet valve charaeteristics [C].In：machanical meeting paper volume of japan，2002.

[10] Kipping. Experimental Investigation and Numerieal Caleulation of Internal Flow in a Hydraulic Slide Valve[D]：[Master degree Dissertation].Darmstadt University of Technology，1997.

[11] Dietze. Measurement and Calculation of the Internal Flow in Hydraulic Seat Valves[D]：[Master degree Dissertation].Darmstadt University of Technology，1996.