基于COMSOL液壓節流閥內部流場數值模擬研究

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(1.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116; 2.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室， 浙江 杭州 310027)

引言

節流閥在液壓系統中起到流量控制等重要作用。但是當閥內流體與過流部件發生高速相對運動時，極易產生空化現象，破壞流體的連續性，使流場特征更加復雜，并影響節流閥的使用性能和壽命[1]。此外，空化形成的氣泡在流經壓力恢復區時，會發生潰滅，引發諸如材料損傷、振動、噪聲等問題[2]。因此， 對節流閥

內部流動特性開展相關研究對節流閥的優化設計具有重要的理論意義。

隨著液壓技術的興起、液壓技術自身發展需求和流場仿真及檢測技術的提高，針對液壓元件及系統開展更多深入研究是一種發展趨勢。 隨著CAD/CAE技術的發展,特別是計算流體動力學的發展,對閥體進行流場數值模擬成了目前對控制閥進行設計及優化的重要手段。閆登強等[3]對傳統的閥體與閥芯結構提出了幾種改進方案,應用Fluent對其內部流場及壓力場進行分析,并與傳統結構進行比，對改進閥座、閥芯的結構有很大的參考價值。于今等[4]建立了板式節流閥的三維模型，運用CFD仿真軟件對節流閥內部流場進行了數值模擬，并指出閥芯處的氣蝕以及閥出口處的漩渦流對閥工作壽命的影響。冀宏等[5]解析推導了三種典型閥口過流面積，并分析了閥芯移動過程中發生的閥口遷移現象。晏靜江等[6]針對各參數對液壓滑閥流場影響的不確定性，建立了U型節流槽液壓滑閥計算流體動力學三維模型，分別從閥口開度、槽口深度和工作壓差三個方面對該模型進行分析，得出液壓油速度場分布以及高速射流區域的形狀和大小的變化趨勢。楊國來等[7]運用Fluent軟件研究了節流閥小開度，即開度介于0.04 mm和2 mm 之間的工況下的流場特征和最小穩定流量之間的關系。

上述工作都是在開度較大或開度間隔較大情況下對流場特性進行研究討論，在小開度下的U型節流閥內部流場特性的研究少有報到，本文基于Comsol有限元分析軟件對U型節流閥進行三維數值仿真，研究開度細微變化下節流閥體內部流場特征。研究結果可為優化閥體內部結構、提高液壓系統的穩定性，延長閥體的使用壽命提供參考。

1 數值計算模型

1.1 COMSOL軟件介紹

COMSOL Multiphysics作為一款基于全新有限元理論， 直接針對偏微分方程為研究對象的大型數值仿真軟件，廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，適用于模擬科學和工程領域的各種物理過程。

COMSOL Multiphysics軟件核心包中集成了大量的物理模型，它們針對不同的物理領域：聲學、熱傳導、AC-DC、電磁場、靜電場、靜磁場、不可壓縮流體、結構力學、波動方程、廣義偏微分方程等。這些模塊都有各自的方程，可以單獨使用一個模塊的方程對物理模型進行模擬計算，也可以根據不同的需要，從多個模塊中選不同的方程組合起來對模型進行計算。另外，可以結合不同的模型，自己創建偏微分方程對模型進行求解。COMSOL Multiphysics以高效的計算性能和杰出的多場直接耦合分析能力實現了任意多物理場的高度精確的數值仿真，在全球領先的數值仿真領域里得到廣泛的應用[8]。

1.2 數值模型

本研究使用COMSOL的湍流模塊建立U型節流閥內部結構圖如圖1所示。a為流道模型剖視圖，b為該閥芯模型三維圖，該節流閥閥芯上下各有一個U型節流槽。流體從入口流入，經臺肩上的U型節流槽由出口流出。圖中固定節流槽口長度為1.75 mm，槽口寬度為1.5 mm，槽口深度為1.5 mm。其中節流閥開口度分別取0.2 mm，0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm，1.0 mm,1.2 mm。

圖1 U型節流閥模型結構圖

考慮到U型節流閥結構具有對稱性，且為減小計算工作量，網格劃分采用四面體單元生成非結構化網格。由于節流口附近流道變化較大，流體流場特性必然隨之急劇變化。因此，為了得到更好解析流場及計算的收斂性，本研究對節流口處的網格進行加密細化。此外，在每一個角點處都進行局部細化。邊界條件如圖2所示：將剖開截面處設置為對稱邊界條件；其他邊界設置為壁面，壁面采用無滑移條件；進出口處均采用壓力邊界條件：入口壓力為0.3 MPa；出口壓力為0.1 MPa，參考壓力為一個大氣壓。建立COMSOL三維模型，選擇湍流模塊，并采用k-ε模型，閥內流體介質選用水，并視為不可壓縮流體，設置穩態求解。

1.3 控制方程

采用標準k-ε模型作為封閉方程，得到了流體在節流閥流動所滿足的控制方程[9]。

圖2 數值計算模型

湍流時均運動基本方程為：

(1)

湍動能方程(k方程)：

(3)

(4)

(5)

式中，i=1，2，3；j=1，2，3；ρ為流體密度；p為壓力；μt為湍動黏度，k是湍動能，ε是湍動耗散率。標準k-ε方程中的相關常數為：

cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1，σε=1.3

2 計算結果分析

2.1 壓力場分析

圖3為U型節流閥內壓力分布圖。從圖中可以看出：流道內壓力較大的區域位于進口腔，約為3×105Pa，壓力較小的區域位于出口腔，約為1×105Pa。進口腔的壓力遠大于出口腔的壓力，而且同一腔內壓力幾乎不變。壓降區主要分布在節流口處，這是由于流體在流經節流口時，因通流截面積突然縮小，流速急劇增大，壓力也隨著下降。若壓力降至液體飽和蒸汽壓下，將會形成空化現象[10]。此外，從圖中還可以看出，隨著閥口開度的增加，壓降在節流口處變得緩和，壓降區域向節流口擴展。這是由于節流閥開度的增加減弱了節流口的節流作用，但節流口仍是壓力降低的主要區域。故適當增大開度有利于減小空化程度。

圖3 不同開度下閥體內部壓力分布圖

2.2 速度場分析

圖4是U型節流閥內部速度分布。從圖中可以看出：遠離節流口處閥內流體速度較低且變化較為緩和，在節流口附近速度最大且流速急劇變化，形成射流區域。隨著開度的變化，高速射流區最大速度基本相同，但隨著閥口開度的變化，高速射流區域的大小、形狀和位置均發生了變化。開度較大時高速射流區域較大，主要分布在槽口入流口。隨著開度的減小，高速射流區域不斷減少且向槽口后方移動。這是由于U型節流槽的閥口遷移現象引起的[11]。

圖4 不同開度下閥體內部速度分布圖

圖5是出射角度與開度的變化關系圖。從圖中可以看出：隨著閥口開度不斷增大，流體出閥口的出射角(出射方向與軸線的夾角) 不斷減小。開度為0.2 mm時，出射角最大，約為73.5°。當開度從0.2 mm增加到1.2 mm時，出射角度線性減小，逐漸下降至60°。由此我們可以推測， 當出射角減小至某一值α時， 出射流體將沖擊管道壁面，形成回流區域，易產生空化現象[12]。

圖5 出射角度與開度變化關系圖

3 結論

基于單相流動的控制方程和湍流模型，本研究采用基于軟件COMSOL Multiphysics數值分析了不同開度下節流閥內部的流場特性。結果表明：

(1) 流體在流經節流口時，流速急劇增大，高速液體繞物體和繞角點流動的壓力急劇減少。若壓力降至液體飽和蒸汽壓下，將會形成空化現象。所以節流閥進出口壓差不宜過大；

(2) 由于開度很小，所以閥體上下腔壓力較為均勻穩定，在節流口處壓降較大， 且隨著開度的增大，壓力變化逐漸緩和，故適當增大開度有利于減小空化程度；

(3) 高速射流區最大速度基本相同，但高速射流區域的大小、形狀和位置都隨著開度變化而改變。所以，閥口開度是影響高速射流區分布的重要因素。

參考文獻：

[1] 歐特爾.普朗特流體力學基礎[M].北京:科學出版社,2008:420-423.

[2] 冀宏,傅新,楊華勇,王慶豐.節流槽型閥口噪聲特性試驗研究[J].機械工程學報,2004,40(11):42-46.

[3] 閆登強.基于Fluent的不同閥芯與閥體組合的數值模擬研究[J].機械工程與自動化,2011：25-29.

[4] 于今,劉彬.基于節流閥內流場的管道震動分析[J].流體傳動與控制,2012,9(54):21-23.

[5] 冀宏.幾種典型液壓閥口過流面積分析及計算[J].機床與液壓,2003,(5):14-16.

[6] 晏靜江.液壓滑閥U型節流槽速度場的CFD解析[J].機械科學與技術,2012,(9):1508-1511.

[7] 楊國來,楊長安,劉志剛,馬一春.節流閥小開度下流場仿真和最小穩定流量研究[J].機床與液壓,2009,(9):109-111.

[8] 張驊毅.主動磁懸浮軸承的分析及優化[D].上海：上海交通大學,2010.

[9] 楊倩.基于不同湍流模型的離心泵內部流場數值模擬與分析[D].蘭州：蘭州理工大學,2010.

[10] 黃繼湯.空化與空蝕的原理及應用[M].北京:清華大學出版社,1991.

[11] 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.

[12] 陸亮.液壓節流閥中的空化流動與噪聲[D].杭州：浙江大學,2012.