水壓球閥在不同閥口形式下的流體作用力研究
引言
液壓閥是液壓系統中的核心元件,液流在流過閥口處時其方向和流速都發生了劇烈的變化,由此產生的液動力作用在閥芯上;同時閥芯還受到靜壓力作用,二者的合力稱爲流體作用力,流體作用力的存在影響閥的動、靜態特性,是閥的設計中需要着重考慮的因素[1,2]。國內外學者採用了計算流體力學(CFD)仿真或試驗等手段對液壓閥內部的流場特性及流體作用力進行了廣泛的研究。
王海冰等[2]基於COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件建立了U形節流閥內部流場模型, 得到了節流閥內部流場在不同閥口開度下的速度、壓力分佈等特性雲圖,研究了射流區域大小、形狀、位置與閥口開度的關係;韓明興等[3]在Fluent中利用三維CFD模型研究了帶有雙U形閥口的水壓插裝閥的液動力特性,並進行了閥口結構的優化設計以降低液動力;謝海波等[4]基於Fluent研究了內流式錐閥閥座是否有倒角對穩態液動力的影響,研究表明2種閥口形式下的液動力大小與方向明顯不同。LISOWSKI E等[5]使用三維CFD仿真模型在Fluent中計算作用在滑閥上的穩態流體作用力,併爲了確認CFD計算結果,設計並搭建試驗檯檢測穩態流體作用力,試驗表明仿真結果可信;YUAN Qinghui等[6]通過在Fluent中進行CFD仿真與試驗研究了四邊滑閥的穩態流體作用力,在分析滑閥流體作用力時使用了壓力積分法與動量法,並指出在研究液動力時應當考慮流體黏性的影響。
與球閥閥芯配合的閥座通常有2種形式:有倒角和無倒角,兩種閥口形式對閥芯上所受流體作用力有不同的影響。本研究是通過COMSOL平臺的CFD仿真對水壓直驅球閥在不同閥口配合情況下所受穩態流體作用力的特性開展研究。
1 建模與仿真設置
1.1 整體結構
被測的水壓直驅球閥根據輸入閥芯位移信號的變化提供流量控制,在不受外力時閥芯通過兩側的彈簧定位使閥芯緊靠在閥座上。閥的**設計流量爲20 L/min,**設計壓力爲4 MPa,閥芯位移330 μm;音圈電機直驅閥閥體部分的三維剖視圖與流場如圖1所示。流體由閥體1上的高壓腔P流過閥套組件4進入閥腔,經球閥閥口後流入低壓腔T,回到水箱。5爲靜壓力平衡腔,可以平衡大部分的靜壓力。推杆2左端與電-機械轉換器相連接,推動球閥閥芯3與推杆6軸向移動, 閥的出口流量與閥芯位移變化呈近似線性關係[7]。
有倒角和無倒角的閥口結構如圖2所示,其中的參數如表1所示。
1.2 幾何模型與網格劃分
考慮到閥內的流場幾何形狀複雜,使用閥的完整三維流場做仿真所需的計算量較大,同時閥芯、推杆均爲迴轉體結構,液壓力平衡腔內液體幾乎不流動且閥套上的徑向孔均勻分佈,所以可以將流場簡化爲二維軸對稱結構,在COMSOL湍流模塊中建立的二維軸對稱模型,其中黑色部分爲流場,灰色部分爲閥套、閥芯組件,如圖3所示。
利用COMSOL軟件內置的網格剖分模塊進行網格劃分,得到*小單元尺寸爲0.00124 mm,網格數量爲195634的四邊形網格;由於閥口處的流場變化劇烈,所以細化閥口處的網格,如圖4所示。
1.3 CFD仿真設置
創建網格模型後,需要定義其他仿真參數,在COMSOL Multiphysics 中本研究的仿真參數設置如下:
(1) 流體參數
單相流,不可壓縮流體,介質爲水,在溫度爲20 ℃時,密度爲998.2 kg·m-3[8],動力黏度爲1.01×10-3 Pa·s;
(2) 邊界條件
邊界條件設置爲壓力入口、壓力出口,其中壓力出口的壓力設爲恆定爲0.5 MPa,通過改變入口壓力大小(1～4 MPa)改變壓差;流體模型壁的條件:壁無滑動,壁面粗糙度爲Ra=0.8[9];
(3) 仿真模型
(4) 仿真類型
爲分析不同閥口開度下的閥芯所受穩態流體作用力,本研究在6個離散閥芯位移處進行穩態仿真(30, 90, 150, 210, 270, 330 μm)。
1.4 湍流模型與控制方程
採用Standard k-ε模型作爲控制方程,得到了流體在節流閥流動所滿足的控制方程,其中湍動能k及其耗散率ε採用如下方程計算:
∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρkui)=∂∂xj[(u+μτσk)∂k∂xj]+ Gk+Gb−ρε−YM+Sk (1)∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xj[(u+μτσε)∂ε∂xj]+ C1εεk(Gk+C3εGb)−ρC2εε2k+Sε (2)∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρkui)=∂∂xj[(u+μτσk)∂k∂xj]+ Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk (1)∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρεui)=∂∂xj[(u+μτσε)∂ε∂xj]+ C1εεk(Gk+C3εGb)-ρC2εε2k+Sε (2)
如式(1)、式(2)所示,Gk爲由平均速度梯度產生的湍流動能;Gb爲由液體浮力所產生的湍流動能;YM則代表了可壓縮湍流向整體耗散率的波動擴張;C1ε, C2ε, C3ε爲3個模型常數; σk, σε分別爲k和ε的湍流普朗特數; Sk和Sε由用戶定義。
此外,湍流黏度μτ用下式計算:
μτ=ρCμk2ε (3)μτ=ρCμk2ε (3)
上述各常數的默認值爲:
C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09, σk=1.0,σε=1.3C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09, σk=1.0,σε=1.3
1.5 線積分計算穩態流體作用力和流量
本研究中使用的閥芯分爲3部分:左推杆、球芯以及右推杆,統稱爲閥芯組件。
Fspool=∫A−spoolpdA+∫A−rodτroddA (4)Fspool=∫A-spoolpdA+∫A-rodτroddA (4)
式中, p —— 作用在閥芯組件端面上的壓力
τrod —— 由液體黏性引起的作用在閥芯組件上的剪切應力
A-spool —— 閥芯組件端面面積
A-rod —— 閥芯組件側面積
q=∫A−sectionvdA (5)q=∫A-sectionvdA (5)
式中, v —— 液流的流速,m/s
A-section —— 通流截面的面積,m2
計算穩態流體作用力和流量的公式分別如式(4)、式(5)所示,對應地在COMSOL二維軸對稱模型的後處理模塊中使用“線積分”這一功能計算壓力對閥芯組件端面的積分和黏性剪切應力對閥芯組件周面的積分,這2個力矢量相加即爲穩態流體作用力數值;同樣使用“線積分”功能計算流速對通流截面的積分即可求得流量數值。在本研究中,定義使閥芯關閉的穩態流體作用力爲正值,而使閥芯打開的穩態流體作用力爲負值。
2 仿真結果
2.1 穩態流體作用力仿真結果
仿真計算結果表明,壓力積分恆爲正直,黏性應力積分恆爲負值。閥座無倒角時,閥芯上的穩態流體作用力在閥芯位移小於90 μm時爲負,表明此時黏性應力積分數值大於壓力積分;在閥芯位移爲30 μm,進出口壓差爲3.5 MPa時,穩態流體作用力達到負向**值-0.226 N。在閥芯位移大於90 μm時,流體作用力方向轉爲正向,在x=330 μm,壓差爲3.5 MPa時,閥芯所受流體作用力達到正向**,爲2.56 N,如圖5所示。
閥座有倒角時流體作用力方向均爲正向,在x=330 μm,壓差爲3.5 MPa時,流體作用力數值達到**爲23.3 N,如圖6所示。
2.2 流量仿真結果
閥座有倒角時的壓差-流量曲線如圖7所示,在閥芯位移爲330 μm,壓差爲3.5 MPa時,達到**流量爲16.12 L/min;閥座無倒角時的壓差-流量曲線如圖8所示,在閥芯位移爲330 μm,壓差爲3.5 MPa時,達到**流量爲21.42 L/min;兩者的曲線形式均符合一般薄壁小孔壓差-流量曲線。
2.3 網格無關性驗證
由於COMSOL是基於有限元方法進行數值計算的,網格數量對於計算結果必然有一定的影響,因此對仿真結果進行網格無關性驗證是必要的。以閥座有倒角下閥芯位移爲30 μm時爲例,對穩態流體作用力和流量的計算情況進行了網格無關性驗證,二者的曲線如圖9和圖10所示。由圖可見,19萬網格和50萬網格的計算結果誤差均在3%以內,因此可以認爲計算結果是可靠的。
3 結論
本研究通過CFD方法對直驅球閥的閥座上有無倒角這2種不同閥口形式的直驅球閥閥內流場進行了仿真分析,通過數據處理,得到以下結論:
(1) 閥座無倒角, 閥芯位移小於90 μm時,閥芯所受的穩態流體作用力使閥芯開啓,不利於穩定閥芯運動[12],且隨着閥芯位移增大,流體作用力的幅值變小;閥口開度大於90 μm時,穩態流體作用力使閥口關閉,且隨着閥芯位移增大,流體作用力的幅值增大。正向**值爲2.56 N,數值較小,表明閥芯運動過程中阻尼較小;
(2) 閥座有倒角, 在整個閥芯行程中,穩態流體作用力使閥口關閉,有利於穩定閥芯的運動。且隨着閥芯位移增大,流體作用力的幅值不斷增大,在同一進、出口壓差,同一閥芯位移下,其數值明顯大於無倒角的流體作用力數值。正向**值23.3 N,相比於無倒角情況,有倒角時閥芯運動的阻力較大;
(3) 流量, 閥口有無倒角影響閥口的過流流量大小,在同一進、出口壓差,同一閥芯位移下,無倒角閥口的過流流量大於有倒角閥口的過流流量。