錐閥流道三維幾何建模與仿真

瞬態(tài)液動力的計算

錐閥是原油技術(shù)的重要基本功能。在對現(xiàn)有小型流量控制器的研究中，使用數(shù)值方法分析

了流量分布、壓力變化、漩渦的發(fā)生和消失、流量噪聲、能量損失機等。對于作為主閥的

錐閥，研究工作主要集中在閥芯處于某一確定開口的穩(wěn)定狀態(tài)，且忽略了閥套對閥內(nèi)部流

場的影響，將閥的內(nèi)部流場近似為軸對稱、簡化為二維模型。但工作中錐閥常常處于開啟

和關(guān)閉的運動狀態(tài)，閥芯運動會引起閥內(nèi)流場的變化,采用CFD方法計算時要用到復(fù)雜的網(wǎng)

格適應(yīng)和動網(wǎng)格技術(shù)。

液動力一直是液壓閥的研究重點,對穩(wěn)態(tài)液動力的研究報道較多，也有一些補償措施。但對

瞬態(tài)液動力，研究工作主要針對滑閥，而對錐閥的研究文獻較少。文獻雖然對內(nèi)外流情況錐

閥的瞬態(tài)液動力進行了理論和試驗研究，也只是參照滑閥的研究結(jié)果給出了計算公式，對于

如何確定阻尼長度沒有給出明確的說明。對于流量系數(shù)也只是局限于閥芯處于穩(wěn)定狀態(tài)的

情況,閥芯運動過程中流量系數(shù)的大小和變化趨勢尚不清楚。

1基于pro/e模型的幾何模型

雖然應(yīng)用Fluent軟件內(nèi)部的程序就可以建立閥內(nèi)流道的幾何模型，但受功能限制不宜構(gòu)造

復(fù)雜的幾何形狀。所以采用軟件Pro/E對研究對象進行建模,其優(yōu)點是可以繪制非常復(fù)雜

的幾何形狀。圖1是建立的計算所需的錐閥內(nèi)部流道幾何模型。模型尺寸采用16mm通徑

的標準插裝閥，閥芯采用不完整錐面，閥芯半錐角為30°,出口處的流道根據(jù)流線設(shè)計，以減

少能量損失。

2人口和出口網(wǎng)格的選擇

使用面向CFD的前處理器軟件Gambit對錐閥內(nèi)部流道進行網(wǎng)格劃分。考慮到計算機運行

時間和存儲容量，在入口和出口處采用較粗網(wǎng)格。由于閥口處的節(jié)流作用，閥口附近的流速

和壓力梯度較大,需要對網(wǎng)格進行細化,在出口流道的拐角處也進行了局部細化,劃分網(wǎng)格

后閥內(nèi)流場情況如圖2所示。

3閥芯運動和閥芯對壓力的影響

對錐閥閥芯的開啟和閉合過程，采用動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)來實現(xiàn)C閥芯運動后新的邊界位置門

Fluent自動執(zhí)行更新，只需給定初始網(wǎng)格和使用用戶自定義函數(shù)UDF定義運動區(qū)域的運動

即可。使用UDF功能可以定義不同的閥芯運動速度來進行仿真計算。

圖3是閥芯在開啟過程中處于3個不同位置的示意圖。圖4?6給出閥芯運動到同一位置

1mm處、流量為】OOL/min、閥芯運動速度方向不同時，閥內(nèi)流體的速度和壓力分布情況。

受篇幅限制I,只給出部分代表性的仿真計算結(jié)果。

從圖4可以看出在閥芯開啟和閉合過程中，閥內(nèi)最高、最低壓力的位置基本相同;但是在

閥芯關(guān)閉過程，由于閥芯對流體產(chǎn)生.擠壓作用，閥芯底面的壓力明顯大于開啟過程和穩(wěn)定狀

態(tài)的值。計算也表明，關(guān)閉過程更容易在閥的節(jié)流口處出現(xiàn)低壓區(qū)，產(chǎn)生氣蝕。從圖5、圖

6可以看出，閥套上通油孔與出口流道接口處的漩渦，開啟過程比閉合過程的區(qū)域要小一些,

說明閉合過程要較開啟過程容易產(chǎn)生氣蝕。閥芯下部流線改變方向的位置,在開啟過程較

閉合過程要離閥口遠一些,這表明作用于閥芯底面的壓力不同。在橫截面上速度分布基本

相同。當閥芯運動速度不司時內(nèi)部流場的壓力分布基本相同，閥芯運動速度大時閥套上通

油孔處的漩渦較大,會造成大的能量損失。

4不同開口度閥的流量系數(shù)

對于錐閥的流量系數(shù)，以往的研究都認為是雷諾數(shù)的函數(shù),層流時流量系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大

而線性增加；當雷諾數(shù)大于某一臨界值,即紊流狀態(tài)時流量系數(shù)為一常數(shù)。但這僅僅是穩(wěn)態(tài)

下的結(jié)果，研究中未考慮閥芯內(nèi)部流道和閥套的影響。在實際使用中，由于閥口壓力變化梯

度大，只能通過檢測閥進、出口處的壓力來計算流量，這種情況卜流量系數(shù)就包含了閥內(nèi)

流道的多處壓力損失,會有所不同。

閥的流量為

qv=CdA(x)2Ap/P--------Vqv=CdA(x)2Ap/p(1)

式中Cd——閥口流量系數(shù)

Ap-----閥進出口壓差

P-----油液密度A(x)-----閥開口面積

對于錐閥

A(x)=nxsinad-xsin2a2d-xsin2a2(2)

式中□——錐閥半錐角d——閥芯直徑

x——閥芯開口度

為了確定穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況下閥的流星系數(shù)，對閥芯在穩(wěn)定不動和運動過程2種狀態(tài)下流場

特性按紊流狀態(tài)進行計算,用計算得到的流量、壓差按式(1)反算出閥的流量系數(shù)與閥芯開

口度的關(guān)系曲線，如

圖7、圖8所示。

在通常的理論計算公式中,流量相同則流量系數(shù)是相同的。但是從流量系數(shù)的CFD計算曲

線可以看出，在流量一定時，隨閥芯開口度的增大,流量系數(shù)減小;在閥芯開口度達到一定程

度時,流量系數(shù)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過閥的流量不同，計算出的流量系數(shù)也不同。

對于實際的閥通過仿真發(fā)現(xiàn)，當閥芯處于穩(wěn)定狀態(tài)和運動狀態(tài)時流量系數(shù)是不同的，閥開啟

過程和閉合過程流量系數(shù)也不相同，受擠壓效應(yīng)的影響,閥芯閉合過程的流量系數(shù)要小于閥

開啟過程的值。在閥芯運動過程中，當閥芯開口度小時沆量系數(shù)值較大;隨著閥芯開口度的

增大,流量系數(shù)逐漸降低。通過觀察閥內(nèi)部的壓力變化，可認定造成這一現(xiàn)象的原因是:當

通過閥的流量一定，閥芯開口度較小時閥進、出口間的壓差大，使閥口流速增大，在閥的出

口處造成低壓甚至負壓區(qū),加速了流體的流動。

5液體動力

5.1cv一穩(wěn)態(tài)液動力

按現(xiàn)有理論，作用在錐閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動力為

Fw=-Pqv(v2cosa-vl)(3)

式中v2——節(jié)流口處的流速

vl——閥進口處的流速

式中負號表示液動力的方向與液流流動方向相反。

節(jié)流口流速為

v2=Cv2Ap/P--------J^2Ap/P---------Jv2=Cv2Ap/P^2Ap/P(4)

式中Cv——流速系數(shù)

因為vl相對于v2要小的多故可將vl影響忽略。將式⑵、式⑴及式(4)代入式⑶,進

一步得

Fw=Cdndxl-xsin2a2dl-xsin2a2dApsin2a(5)

圖9給出了3種流量下,按式(5)和CFD計算所得作用在閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動力隨閥芯開口度

的變化曲線。

從圖9中可以看出，閥芯開口度一定時,流量越大穩(wěn)態(tài)液動力越大。但是隨著閥芯開口度的

增大，由于閥進、出口壓差的減小，穩(wěn)態(tài)液動力也隨著減小。CFD仿真結(jié)果和按公式計算出

的值變化趨勢一致,數(shù)值也較接近，只是在流量大時差別有所增大,所以在液壓閥的動態(tài)仿

真研究中可以采用式(5)直接計算穩(wěn)態(tài)液動力，而不必采用CFD方法。研究也表明，穩(wěn)態(tài)液

動力始終是負值,即穩(wěn)態(tài)液動力是使閥芯趨于閉合的作用力。

5.2閥芯運動狀態(tài)下的壓力分布

參照滑閥的計算公式,錐閥瞬態(tài)液動力為

Fs=-PLdqvdtFs=-pLdqvdt(6)

式中L一一阻尼長度

對流量計算式(1)求導(dǎo)并代入式(6),進一步得

Fs=-PLCdndsinul-xsin2adl-xsin2ad2App--Vdxdt2ApPdxdt(7)

從式(7)可以看出，瞬態(tài)液動力方向與閥的運動方向有關(guān),當閥開啟時為負，閉合時為正。但

是與滑閥中參數(shù)L有確定的幾何意義不同,錐閥公式中的參數(shù)L無法確定，也未見有對這一

參數(shù)相關(guān)的研究報道，所以目前在錐閥的設(shè)計中都不考慮瞬態(tài)液動力的影響。

閥芯受到的作用力是通過閥芯表面壓力對面積的積分得到。為了求出作用在閥芯上的瞬態(tài)

液動力，仿真了閥芯處于靜止、開啟和閉合過程3種狀態(tài)下閥芯表面的壓力分布。閥芯運

動狀態(tài)和靜止狀態(tài)下壓力差值在閥芯表面的積分，即為瞬態(tài)液動力。圖10給出了流量為

50L/min,閥芯開口度為1mm、閥芯分別在靜止、開啟和閉合狀態(tài)下閥芯表面的壓力分布曲

線。

圖中y是指沿閥芯半徑方向的坐標值。從圖10曲線可知，閉合過程閥芯表面的壓力值始終

大于開啟過程和穩(wěn)態(tài)情況,開啟過程和穩(wěn)態(tài)情況下，閥芯表面的壓力分布非常接近。計算

也表明，閥芯開口度相同時，流量越大作用在閥芯上的壓力值越大。流量不變，隨著閥芯開

口度的增加閥芯上的壓力值減小。

瞬態(tài)液動力是由閥芯表面作用力的差值引起的，由于閥芯在閉合過程的擠壓效應(yīng)，造成閥芯

表面的壓力值大于開啟過程的值,導(dǎo)致瞬態(tài)液動力存在大的差值。如按現(xiàn)有理論公式計算，

閥在開啟和閉合過程瞬態(tài)液動力在數(shù)值上是相同的，就無法考慮這一現(xiàn)象。在節(jié)流口的過

渡段,穩(wěn)態(tài)和動態(tài)壓力分布基本相同,流體動量變化起主要作用,壓力梯度是產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)液動

力的主要原因。

根據(jù)圖10,通過積分得到的瞬態(tài)液動力隨閥芯開口度變化的曲線如圖11所示。因為開啟過

程閥芯表面的作用力與穩(wěn)態(tài)情況基本相同，圖中僅給出閥閉合過程的瞬態(tài)液動力。圖口曲

線表明，在閥芯開口度?定時，流量越大瞬態(tài)液動力也越大。流量一定時，隨著閥芯開口度

的增大瞬態(tài)液動力減小。在流量一定時，閉合狀態(tài)下的瞬態(tài)液動力要大于開啟狀態(tài)的瞬態(tài)

液動力。隨著閥芯開口度的增加，差值逐漸減小。文中建立的錐閥模型在給定的邊界條件

卜，閥芯受到的瞬態(tài)液動力都是止值，即都是使錐閥趨于開啟的作用力。根據(jù)式(7),“J以反

算出錐閥瞬態(tài)液動力的阻尼長度L,如圖12所示。

計算結(jié)果表明，對于錐閥，阻尼長度L是一個變值,它與通過閥的流量、閥芯開口度和閥口

壓差有關(guān)。壓差和流量大」.值也大，說明被加速的流體體積也大;流量小、流速低,1，值也

小,被加速的流體體積也小。

通過對閥芯不同速度運動情況下閥芯表面總壓力值的比較可知，當閥處于小開口、高壓差

工況時，即流速高時瞬態(tài)液動力有大的差別,隨閥芯開口度的增大差值變得很小。

對比穩(wěn)態(tài)液動力的計算結(jié)果可知，閥開啟過程的瞬態(tài)液動力較小，可以忽略不計。但閥閉合

過程的瞬態(tài)液動力則較大:特別是流速高時,達到了穩(wěn)態(tài)液動力的1/4,這一點在設(shè)計