液壓閥是液壓系統(tǒng)中的核心元件,液流在流過(guò)閥口處時(shí)其方向和流速都發(fā)生了劇烈的變化,由此產(chǎn)生的液動(dòng)力作用在閥芯上;同時(shí)閥芯還受到靜壓力作用,二者的合力稱為流體作用力,流體作用力的存在影響閥的動(dòng)、靜態(tài)特性,是閥的設(shè)計(jì)中需要著重考慮的因素[1,2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真或試驗(yàn)等手段對(duì)液壓閥內(nèi)部的流場(chǎng)特性及流體作用力進(jìn)行了廣泛的研究。

王海冰等[2]基于COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件建立了U形節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)模型, 得到了節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)在不同閥口開度下的速度、壓力分布等特性云圖,研究了射流區(qū)域大小、形狀、位置與閥口開度的關(guān)系;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(dòng)力特性,并進(jìn)行了閥口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低液動(dòng)力;謝海波等[4]基于Fluent研究了內(nèi)流式錐閥閥座是否有倒角對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響,研究表明2種閥口形式下的液動(dòng)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(jì)算作用在滑閥上的穩(wěn)態(tài)流體作用力,并為了確認(rèn)CFD計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)并搭建試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)穩(wěn)態(tài)流體作用力,試驗(yàn)表明仿真結(jié)果可信;YUAN Qinghui等[6]通過(guò)在Fluent中進(jìn)行CFD仿真與試驗(yàn)研究了四邊滑閥的穩(wěn)態(tài)流體作用力,在分析滑閥流體作用力時(shí)使用了壓力積分法與動(dòng)量法,并指出在研究液動(dòng)力時(shí)應(yīng)當(dāng)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(wú)倒角,兩種閥口形式對(duì)閥芯上所受流體作用力有不同的影響。本研究是通過(guò)COMSOL平臺(tái)的CFD仿真對(duì)水壓直驅(qū)球閥在不同閥口配合情況下所受穩(wěn)態(tài)流體作用力的特性開展研究。

被測(cè)的水壓直驅(qū)球閥根據(jù)輸入閥芯位移信號(hào)的變化提供流量控制,在不受外力時(shí)閥芯通過(guò)兩側(cè)的彈簧定位使閥芯緊靠在閥座上。閥的**設(shè)計(jì)流量為20 L/min,**設(shè)計(jì)壓力為4 MPa,閥芯位移330 μm;音圈電機(jī)直驅(qū)閥閥體部分的三維剖視圖與流場(chǎng)如圖1所示。流體由閥體1上的高壓腔P流過(guò)閥套組件4進(jìn)入閥腔,經(jīng)球閥閥口后流入低壓腔T,回到水箱。5為靜壓力平衡腔,可以平衡大部分的靜壓力。推桿2左端與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器相連接,推動(dòng)球閥閥芯3與推桿6軸向移動(dòng), 閥的出口流量與閥芯位移變化呈近似線性關(guān)系[7]。

圖1 閥內(nèi)三維流場(chǎng)   下載原圖

1.閥體 2.左推桿 3.球芯 4.閥套組件5.靜壓力平衡腔 6.右推桿

有倒角和無(wú)倒角的閥口結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中的參數(shù)如表1所示。

圖2 兩種閥口形式   下載原圖

表1 閥口結(jié)構(gòu)參數(shù) 導(dǎo)出到EXCEL

考慮到閥內(nèi)的流場(chǎng)幾何形狀復(fù)雜,使用閥的完整三維流場(chǎng)做仿真所需的計(jì)算量較大,同時(shí)閥芯、推桿均為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),液壓力平衡腔內(nèi)液體幾乎不流動(dòng)且閥套上的徑向孔均勻分布,所以可以將流場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),在COMSOL湍流模塊中建立的二維軸對(duì)稱模型,其中黑色部分為流場(chǎng),灰色部分為閥套、閥芯組件,如圖3所示。

圖3 二維軸對(duì)稱流場(chǎng)   下載原圖

利用COMSOL軟件內(nèi)置的網(wǎng)格剖分模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到*小單元尺寸為0.00124 mm,網(wǎng)格數(shù)量為195634的四邊形網(wǎng)格;由于閥口處的流場(chǎng)變化劇烈,所以細(xì)化閥口處的網(wǎng)格,如圖4所示。

創(chuàng)建網(wǎng)格模型后,需要定義其他仿真參數(shù),在COMSOL Multiphysics 中本研究的仿真參數(shù)設(shè)置如下:

單相流,不可壓縮流體,介質(zhì)為水,在溫度為20 ℃時(shí),密度為998.2 kg·m-3[8],動(dòng)力黏度為1.01×10-3 Pa·s;

邊界條件設(shè)置為壓力入口、壓力出口,其中壓力出口的壓力設(shè)為恒定為0.5 MPa,通過(guò)改變?nèi)肟趬毫Υ笮?1～4 MPa)改變壓差;流體模型壁的條件:壁無(wú)滑動(dòng),壁面粗糙度為Ra=0.8[9];

閥內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流,選擇Standard k-ε湍流模型[4,5,6,10,11];

為分析不同閥口開度下的閥芯所受穩(wěn)態(tài)流體作用力,本研究在6個(gè)離散閥芯位移處進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真(30, 90, 150, 210, 270, 330 μm)。

圖4 閥口處局部網(wǎng)格加密   下載原圖

采用Standard k-ε模型作為控制方程,得到了流體在節(jié)流閥流動(dòng)所滿足的控制方程,其中湍動(dòng)能k及其耗散率ε采用如下方程計(jì)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為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為由液體浮力所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM則代表了可壓縮湍流向整體耗散率的波動(dòng)擴(kuò)張;C1ε, C2ε, C3ε為3個(gè)模型常數(shù); σk, σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù); Sk和Sε由用戶定義。

此外,湍流黏度μτ用下式計(jì)算:

μτ=ρCμk2ε?????????(3)μτ=ρCμk2ε?????????(3)

上述各常數(shù)的默認(rèn)值為:

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

本研究中使用的閥芯分為3部分:左推桿、球芯以及右推桿,統(tǒng)稱為閥芯組件。

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(yīng)力

A-spool —— 閥芯組件端面面積

A-rod —— 閥芯組件側(cè)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(jì)算穩(wěn)態(tài)流體作用力和流量的公式分別如式(4)、式(5)所示,對(duì)應(yīng)地在COMSOL二維軸對(duì)稱模型的后處理模塊中使用“線積分”這一功能計(jì)算壓力對(duì)閥芯組件端面的積分和黏性剪切應(yīng)力對(duì)閥芯組件周面的積分,這2個(gè)力矢量相加即為穩(wěn)態(tài)流體作用力數(shù)值;同樣使用“線積分”功能計(jì)算流速對(duì)通流截面的積分即可求得流量數(shù)值。在本研究中,定義使閥芯關(guān)閉的穩(wěn)態(tài)流體作用力為正值,而使閥芯打開的穩(wěn)態(tài)流體作用力為負(fù)值。

仿真計(jì)算結(jié)果表明,壓力積分恒為正直,黏性應(yīng)力積分恒為負(fù)值。閥座無(wú)倒角時(shí),閥芯上的穩(wěn)態(tài)流體作用力在閥芯位移小于90 μm時(shí)為負(fù),表明此時(shí)黏性應(yīng)力積分?jǐn)?shù)值大于壓力積分;在閥芯位移為30 μm,進(jìn)出口壓差為3.5 MPa時(shí),穩(wěn)態(tài)流體作用力達(dá)到負(fù)向**值-0.226 N。在閥芯位移大于90 μm時(shí),流體作用力方向轉(zhuǎn)為正向,在x=330 μm,壓差為3.5 MPa時(shí),閥芯所受流體作用力達(dá)到正向**,為2.56 N,如圖5所示。

圖5 閥座無(wú)倒角時(shí)穩(wěn)態(tài)流體作用力與壓差的關(guān)系   下載原圖

閥座有倒角時(shí)流體作用力方向均為正向,在x=330 μm,壓差為3.5 MPa時(shí),流體作用力數(shù)值達(dá)到**為23.3 N,如圖6所示。

圖6 閥座有倒角時(shí)穩(wěn)態(tài)流體作用力與壓差的關(guān)系   下載原圖

閥座有倒角時(shí)的壓差-流量曲線如圖7所示,在閥芯位移為330 μm,壓差為3.5 MPa時(shí),達(dá)到**流量為16.12 L/min;閥座無(wú)倒角時(shí)的壓差-流量曲線如圖8所示,在閥芯位移為330 μm,壓差為3.5 MPa時(shí),達(dá)到**流量為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。

圖7 閥座無(wú)倒角時(shí)壓差-流量曲線   下載原圖

圖8 閥座有倒角時(shí)壓差-流量曲線   下載原圖

由于COMSOL是基于有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的,網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果必然有一定的影響,因此對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證是必要的。以閥座有倒角下閥芯位移為30 μm時(shí)為例,對(duì)穩(wěn)態(tài)流體作用力和流量的計(jì)算情況進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,二者的曲線如圖9和圖10所示。由圖可見,19萬(wàn)網(wǎng)格和50萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果誤差均在3%以內(nèi),因此可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖9 穩(wěn)態(tài)流體作用力計(jì)算的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)   下載原圖

圖10 流量計(jì)算的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)   下載原圖

本研究通過(guò)CFD方法對(duì)直驅(qū)球閥的閥座上有無(wú)倒角這2種不同閥口形式的直驅(qū)球閥閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析,通過(guò)數(shù)據(jù)處理,得到以下結(jié)論:

(1) 閥座無(wú)倒角, 閥芯位移小于90 μm時(shí),閥芯所受的穩(wěn)態(tài)流體作用力使閥芯開啟,不利于穩(wěn)定閥芯運(yùn)動(dòng)[12],且隨著閥芯位移增大,流體作用力的幅值變小;閥口開度大于90 μm時(shí),穩(wěn)態(tài)流體作用力使閥口關(guān)閉,且隨著閥芯位移增大,流體作用力的幅值增大。正向**值為2.56 N,數(shù)值較小,表明閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中阻尼較小;

(2) 閥座有倒角, 在整個(gè)閥芯行程中,穩(wěn)態(tài)流體作用力使閥口關(guān)閉,有利于穩(wěn)定閥芯的運(yùn)動(dòng)。且隨著閥芯位移增大,流體作用力的幅值不斷增大,在同一進(jìn)、出口壓差,同一閥芯位移下,其數(shù)值明顯大于無(wú)倒角的流體作用力數(shù)值。正向**值23.3 N,相比于無(wú)倒角情況,有倒角時(shí)閥芯運(yùn)動(dòng)的阻力較大;

(3) 流量, 閥口有無(wú)倒角影響閥口的過(guò)流流量大小,在同一進(jìn)、出口壓差,同一閥芯位移下,無(wú)倒角閥口的過(guò)流流量大于有倒角閥口的過(guò)流流量。