基于CFD的液壓滑閥閥芯表面熱效應分析

晏靜江，周大海

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

在中高壓系統使用過程中，經常會出現液壓閥的熱卡緊現象，這是由于節流槽口附近油液流動的速度很高，液壓閥黏性加熱現象顯著，槽口來不及將熱量傳遞出去而造成局部溫度升高。這種現象的產生會對液壓閥的工作性能產生很大影響:輕度時會使液壓元件內的相對移動件如閥芯、葉片、柱塞、活塞等運動時的摩擦阻力增加，造成動作遲緩;嚴重時會使液壓元件內的移動件卡住，造成不能動作，手柄的操作力增大，如換向閥不能換向，柱塞泵柱塞不能運動而實現吸油和壓油等，同時還增加了閥件的磨損，降低使用壽命，并且可能導致動作滯后失效等嚴重后果。因此，對閥芯溫度場的模擬和分析是十分重要的。作者采用CFD 流固耦合的方法，研究了不同開口度和不同工作壓力對節流閥油流溫升和應力應變的影響。

1 控制方程

雖然流體流動和傳熱的現象十分復雜，但都受最基本的3個物理規律的支配，即質量守恒、動量守恒和能量守恒。在數值仿真計算中，湍流模型采用時均形式的微分方程[1]。

質量守恒方程:

其矢量形式為:

動量守恒方程:

式中:φ為通用變量，可以用來表示速度、壓力等待求變量。等號左邊為對流項，右邊第一項為擴散項，Γφ是擴散系數，Sφ為源項。

能量守恒方程:

其中:cp是比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數，ST為流體的黏性耗散項。

熱流耦合分析選取了溫度場的第三類邊界條件和熱流耦合特有的邊界條件。第一類邊界條件為已知溫度均勻且保持常數，即:TW=常數;第三類邊界條件為固體與流體因溫度差而發生了對流換熱，此時固體表面的熱流密度與溫度差成正比，即:

式中:n為換熱表面的外法線;

h為換熱系數，W/(m2·℃);

TW為邊界面溫度，℃;

Tf為流體溫度，℃。

熱流耦合特有的邊界條件包括流體進出口壓力、流體溫度和壁面邊界。由于流體和固體遵循不同的控制方程，所以固體和流體交換壁面上溫度和熱流密度必須滿足連續性邊界條件[2]，即:

2 有限元模型

建立液壓滑閥流體與閥芯的流固耦合三維模型如圖1所示。并以此模型為算例計算了耦合系統的穩態流動與傳熱。

圖1 液壓滑閥流體與固體三維網格模型

算例中流體與固體的材料特性參數分別如表1和表2所示[3]。

表1 40#液壓油50℃時的計算參數

表2 普通鋼材料屬性

在進行穩態計算分析時，對流體做了如下假設[4]:流體為不可壓縮恒定流動的牛頓流體，在模型中的流動狀態主要為紊流，采用k－ε 紊流模型。

所計算的滑閥閥芯與流體的流固耦合模型包括了流體與固體之間的耦合傳熱，同時也包括了固體的熱應變分析。

3 仿真分析

將流體和固體的材料特性和邊界條件施加到有限元模型上，計算收斂后分別得到流體的流場和溫度場，然后再將流場的溫度耦合到固體上，得到固體溫度場，最后計算出固體的熱應變。

圖2為不同開口度和不同壓差下的液壓流體速度場分布示意圖，流體流出閥口，流出的地方叫槽口后方，流入閥口的地方叫槽口前方。從圖中可以看出:高速射流區域面積隨著開口度的增大而增大;高速射流區域的位置隨著開口度的增大逐漸從槽口后方向槽口前方移動。出現這種現象的原因是因為U型節流槽的閥口遷移現象引起的。U型節流槽存在一個特殊的閥口開度，當閥口開度小于這個特殊的開口度時，最小過流面積是隨著閥口開度的變化而變化的;而當閥口開度大于這個特殊閥口開度時，閥口的最小過流面積為一個常數。同時，隨著開口度的不斷增大，液壓油流出閥口的射流角也不斷增大，不同的出射角，對射流后部流場的影響也不同。當閥口開度由小變大時，進入閥口后方區域的液壓油開始沖擊到閥芯窄頸段的表面上，產生了回流現象，隨著閥口的開度進一步增大，液壓油沖擊在閥芯窄頸段的表面上的液壓油更多，回流區也更大。

圖2還給出了液壓滑閥流體在壓差分別為10 MPa，15 MPa，20 MPa時的速度場分布，由圖中可以看到:節流口附近的流體速度和流體高速區域隨著壓差的增大而增大，并且節流槽口及下游區域的渦強度隨著壓差的增大而增強，這也是產生溫升現象的主要原因。

圖3為閥芯溫度場分布示意圖，從圖中可以看出，閥芯中間段及槽口附近是明顯高溫區，閥芯兩端是低溫區，的右邊的低溫區明顯比左邊的低溫區大，這是因為右邊是油液上流，溫度較低，而左邊是油液下流，油液經過槽口，速度增大，黏性加熱顯著，產生大量熱量。熱量一部分隨著油液流向出口，一部分則通過槽口表面傳向閥芯。同時，在槽口內部存在一個相對低溫區，如圖3所示。

圖2 液壓滑閥流場分布示意圖

圖3 閥芯溫度場示意圖

為了更好地了解閥芯表面溫度場的分布趨勢，圖4列出了閥芯在不同開口度和不同壓差下的閥芯表面的溫度分布云圖。從圖中可以看出，閥芯的局部高溫分布在槽口的輪廓線附近。開口度不同的閥芯整體的溫度分布趨勢基本相似，都是閥芯兩端為低溫區，以槽口表面為溫度集中區，也就是高溫區，向四周傳熱。閥芯表面溫度有隨著離槽口距離的增大而逐步減小的趨勢。

圖4 不同開口度下的閥芯表面溫度分布示意圖

對照圖2和圖4容易看出，槽口表面的溫度和附近油液的速度分布緊密相關。圖4中，當K=1 mm時的最高溫度明顯低于其他開口度時的最高溫度，這是因為K=1 mm時的槽口表面的高速射流區域最小;而槽口表面的高溫區隨著開口度的增大，逐漸往槽口方向移動，這是因為高速射流區域隨著開口度的增大逐漸往槽口方向移動，如圖2所示。

圖5對比了不同開口度和不同壓差下的閥芯變形，從圖中知道，閥芯的變形趨勢基本一致，閥芯的總體變形發生在槽口附近;槽口徑向變形發生在槽口半圓弧形處，向上拱起;而軸向變形則是閥芯表面受到擠壓向外延伸。最大變形都出現在槽口附近，根據圖4和圖5，不難看出節流槽最大徑向變形位置與槽口表面的局部高溫位置相對應，除了K=1 mm時出現在半圓壁面上，其他位置都出現在槽口兩側的壁面上。

在表3中，最高溫度Tmax出現在開口度為3 mm和4 mm 附近，而最大變形量Dmax出現在開口度為2 mm時，說明最大變形量并不是隨著最高溫度的增大而增大的，這是因為最大變形量和最高溫度出現的位置有關;當最高溫度出現在槽口半圓處時，也就是說離槽口入口處越遠的地方，引起的軸向擠壓較大，徑向變形就較大;離槽口入口較近時，引起的軸向變形擠壓較小，因此徑向變形也就較小。

圖5 不同開口度下的閥芯變形

表3 不同開口度和壓差下的最高溫度和最大變形量

4 結論

(1)在考慮了黏性加熱所產生的發熱現象后，建立了液壓滑閥閥芯的有限元模型，分析了液壓滑閥閥芯在實際工作中會受到磨損、甚至卡死情況的原因。

(2)在Fluent 中進行了流體仿真分析，計算出液壓滑閥流場和溫度場的大小和位置的變化情況，得到了流場的最高溫度是隨著開口度的增大而增大，閥芯的最高溫度是隨著最大流速增大而增大。

(3)在有限元分析中把流場計算出的溫度加載到液壓閥芯表面上，計算出閥芯受到黏性熱效應影響之后的變形，得出閥芯的最大變形量是隨著開口度的增大而先增大后減小，這是因為閥芯的最大變形不僅和最高溫度值有關，還和最高溫度出現的位置有關。

因此，考慮由黏性熱引起的閥芯變形是有必要的，尤其在液壓滑閥閥芯閥套配合間隙較小時甚為重要。同時可以對閥芯、閥套甚至對整個液壓泵系統進行有限元分析，從而為盡量避免或者減少由于油液溫升閥芯膨脹引起的液壓元件的磨損，甚至液壓卡緊現象，以提高液壓系統元件的使用壽命。

【1】金朝銘.液壓流體力學[M].北京:國防工業出版社，1994:154－155.

【2】陶文銓.數值傳熱學[M].2版.西安:西安交通大學出版社，2004.

【3】尚仁操，喬渭陽，徐開福.汽輪渦輪葉片氣熱耦合數值模擬研究[J].機械設計與制造，2007(2):11－13.

【4】柯堅.現代水壓驅動技術[M].成都:西南交通大學出版社，2002.

【5】冀宏.液壓閥芯節流槽氣穴噪聲特性的研究[D].杭州:浙江大學，2005.