某型氣動閥門射流級流場仿真分析與實驗驗證

， ， ， (.中國航空工業集團公司 航空動力控制系統研究所， 江蘇 無錫 24063；2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院， 北京 0009)

引言

某數控系統實驗臺在進行半物理模擬實驗時，需要遠程電控氣動閥門，用來模擬飛機在不同飛行馬赫數、不同高度情況下發動機在不同截面下的燃(空)氣壓力。通過給定氣動閥門一定需求的電信號，輸出滿足實驗要求的模擬氣壓，最終實現“電-氣”轉換目的。

發動機不同截面壓力范圍較大，需要調節范圍較大的氣動閥門，目前國內市場對高壓型電控氣動閥門研究和應用較為少見。現在各行業特別是國防工業對系統高速度、高壓的要求不斷增加,由于高壓力可以有效改善氣動系統動態性能和剛度,具有輸出力大、系統重量比小、可實現高速化和元件小型化,節省安裝空間等優點。高壓型電控閥門應用越來越廣泛，包括飛機起落架操縱、艙門收放、螺旋槳制動等，在防火防爆場合，用氣動信號控制液壓信號，實施間接控制等[1,2]。

射流管先導級壓力效率、容積效率高，一般為70%以上，有時可以高達90%以上，輸出控制大，作為閥門定位器時，閥門的直徑和行程，比噴嘴擋板式的大而長，故高壓型電控閥前置級采用射流式[3]。射流先導級流場分析和各尺寸參數的研究,對設計高水平電控氣動閥門具有重要意義。

1 氣動閥門原理

射流管式氣動閥門剖視圖如圖1所示。

圖1 射流式氣動閥剖視圖

通過給定微處理器一個電信號，輸出相應的控制信號，控制電流信號給力矩馬達的線圈通電，電磁鐵與磁鋼導磁體之間產生電磁吸力，驅動銜鐵組件旋轉，銜鐵組件通過轉軸組件使射流管偏轉一定的角度，改變氣源通過射流管進入到底座上的兩個接受孔的氣體流量，從而改變兩個接收孔的恢復壓力值，使出氣孔氣體壓力與給定的電信號對應，實現電氣轉換。

2 射流級流場仿真分析

2.1 網格模型

電控氣動閥射流先導級性能對整體性能影響至關重要，研究在不同尺寸配合下的氣動閥射流轉換特性，可以找到最佳的尺寸配合，從而使氣動閥門獲得較高的轉換效率。Fluent是目前應用最為廣泛的流體仿真軟件，運用Fluent流體仿真軟件可以較好地模擬射流先導級的壓力特性[3，4]。

對該氣動閥射流管先導級流道做一定簡化，得到幾何模型如圖2所示。

圖2 射流級幾何模型

在ICEM CFD中劃分網格，得到網格模型如圖3所示。

圖3 射流級網格模型

最終網格數量約為50萬，噴嘴處采用局部加密處理，壁面采用棱柱邊界層。

2.2 后處理

射流級空氣流體運動為高雷諾數湍流運動，采用RNGk-ε模型，設置入口直徑為3.2 mm、噴嘴直徑為1 mm、 接收孔直徑為1.2 mm、噴嘴至接收孔的距離為0.2 mm、 接收孔夾角為70°、接受孔與中軸面偏角為20°，兩接受孔中心距為1.4 mm，噴嘴偏轉角度范圍約為±2°，噴嘴偏轉半徑為14.2mm，簡化為平移運動，噴嘴平移范圍約為-0.495 mm≤x≤0.495 mm，入口流量Qs為14 g/s，入口壓力ps為2 MPa，噴嘴到接受孔間隙為氣流出口通道，且出口相對壓力p0為0，兩接受腔密閉情況下仿真得到不同噴嘴位移下的射流級截面壓力云圖，如圖4所示。

圖4 不同噴嘴位移下的恢復壓力云圖

根據不同噴嘴位移下的恢復壓力云圖，通過對接受孔出口截面壓力求均值，可得到接收孔出口腔壓力仿真值。

由圖5可以看出空氣的流動情況，在噴嘴出口處速度最大，空氣從噴嘴到接受孔之間間隙流出時，存在渦流現象。

圖5 射流級速度矢量云圖

2.3 射流級壓力恢復特性影響因素

影響射流前置級接受孔恢復壓力特性的因素包括：入口壓力ps、噴嘴直徑、接受孔直徑、噴嘴到接受孔間距、兩接受孔中心間距、接受孔傾角等。對不同影響因素分別進行仿真，得到恢復壓力曲線，通過分析對比，可以得出各參數對于射流級放大特性的影響[5-8]。

1) 入口壓力ps

該氣動閥門的設計壓力使用范圍為0≤ps≤7 MPa， 改變噴嘴位移，得到不同入口壓力，接受孔左右兩腔恢復壓力曲線如圖6所示。

圖6 射流級入口壓力特性曲線

由圖6可知，入口壓力越大，兩接受孔輸出壓力越大，噴嘴移動過程中，兩接受孔變化曲線近似為線性，噴嘴移動到0.48 mm接受孔恢復壓力接近飽和。

2) 噴嘴直徑D1

噴嘴直徑D1在0.9、1.0、1.1 mm三種情況下，入口壓力ps為2 MPa，改變噴嘴位移，其他參數不變，接受孔恢復壓力曲線如圖7所示。

圖7 不同噴嘴直徑，接受孔恢復壓力曲線

由圖7可知，噴嘴直徑越大，接受孔恢復壓力越大，噴嘴直徑D1為1.0 mm時，噴嘴在零位，左右兩腔壓力近似等于1 MPa，噴嘴偏轉時，左右腔壓力變化對稱性較好。

3) 接受孔直徑D2

設置接受孔直徑D2為1.1、1.2、1.3、1.4 mm四種情況下，改變噴嘴位移， 其他參數不變，接受孔恢復壓力曲線如圖8所示。

圖8 改變接受孔直徑，接受孔恢復壓力曲線

由圖8可知，接受孔直徑越大，接受孔恢復壓力越大，且D2為1.2 mm，左右兩腔零位恢復壓力近似等于1 MPa,噴嘴移動時，兩腔壓力曲線對稱性較好。對比圖7與圖8可知，接受孔直徑影響相對較小。

4) 噴嘴到接受孔間距

設置噴嘴到接受孔間距d為0.1、0.2、0.3、 0.4、0.5、0.6 mm，其他參數不變，噴嘴處于零位時，得到接受孔恢復壓力曲線如圖9所示。

由圖9知，噴嘴到接受孔間距d越大，接受孔恢復壓力越小，d為0.2 mm時，左右兩腔對稱性好。

圖9 改變噴嘴到接受孔間距，接受孔恢復壓力曲線

5) 兩接受孔中心距

設置兩接受孔中心距d0為1.3、1.4、1.5 mm，其他參數不變，得到接受孔恢復壓力p如圖10所示。

圖10 改變兩接受孔中心距，接受孔恢復壓力曲線

由圖可知，兩接受孔中心距越小，接受孔恢復壓力越大，接受孔中心距d0為1.4 mm時，噴嘴在零位時，左右腔恢復壓力p1,2約為1 MPa，噴嘴偏轉左右兩腔恢復壓力對稱性較好。

6) 接受孔傾角

推薦理由:作者曾獲以色列布倫納獎、以色列總理獎、美國猶太圖書獎等獎項，這部小說被他視為自己創作成熟的標志。中文譯本首次出版。小說講述了1930年代巴勒斯坦的一個小村莊里，朱迪斯與她的三個愛慕者之間發生的故事。作者從宗教故事和神話傳說中汲取靈感，并融入猶太鄉村的風土人情，用魔幻現實主義的高超技法，將這個《雅歌》般的傳奇娓娓道來。

設置接受孔傾角Q=60°、70°、80°，其他參數不變，得到接受孔恢復壓力曲線如圖11所示。

圖11 改變接受孔傾角，接受孔恢復壓力曲線

由圖11可知，接受孔傾角越大恢復壓力越大，且Q=70°時，兩腔恢復壓力特性曲線對稱性好，零位時兩腔壓力接近1 MPa。

3 驗證實驗

3.1 實驗原理

為了驗證上述仿真結果，本研究設計了一個簡易的實驗工裝。考慮單獨研究射流級的壓力轉換特性，采用步進電機控制銜鐵的偏轉角度，從而控制接受孔的接受壓力，實驗工裝組裝圖和實驗圖如圖12、圖13所示。

1.步進電機 2.內六角圓柱頭螺釘 3.聯軸器 4.六角頭螺釘 5.六角頭螺栓 6.底座 7.六角螺母 8.電氣轉換器 9.支架I 10.支架II 11.普通有折斷槽鋼絲螺套

圖13 實驗圖

步進電機做小角度轉動，通過聯軸器帶動氣動閥門銜鐵組件轉動，從而使噴嘴小角度偏轉，通過改變入口壓力ps、更換不同直徑噴嘴、更換不同厚度噴嘴與接受孔間墊片等，研究各影響因素對射流級性能影響。

由仿真和實際調試經驗得到，入口壓力、噴嘴直徑及噴嘴到接受孔之間間距對于接受孔恢復壓力p的影響較大，對這三個影響因素著重實驗驗證。

3.2 實驗結果對比

在ps為1、2、3、4 MPa入口壓力下，仿真數據與實驗結果對比如圖14所示。

圖14 不同入口壓力，實驗與仿真對比曲線

實驗數據與仿真曲線對比可知，不同入口壓力下，實際接受孔恢復壓力比流場仿真值要小。

圖15表明，噴嘴直徑越大，接受孔恢復壓力p越大，且實驗結果小于仿真結果。

圖15 不同直徑下，實驗與仿真對比曲線

改變噴嘴到接受孔間隙d的值，取d值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm，右腔壓力最大值實驗與仿真結果對比如圖16所示。

圖16 不同間距，右腔壓力最大值實驗與仿真對比

圖16表明，在噴嘴與接受孔間距越小，接受孔恢復壓力所能達到的最大值越大，射流級效率越高。

3.3 結果分析

對比分析實驗與仿真數據，二者相似度達到85%以上，流場仿真分析能較好地模擬真實的物理過程，達到了預期的目的。

但是，實驗與仿真仍然存在差異，其原因包括多個方面，一是實驗原理仍然需要進一步改進，例如在步進電機連接銜鐵組件的聯軸器上加裝角位移傳感器或解算器，直接對應恢復壓力與角度的關系，可以排除步進電機精度不夠的問題，消除升程和降程的滯環問題。另一方面，流場仿真分析需要進一步改進，網格模型可以更加精確，邊界條件設定可以更加符合實際過程。

4 結論

通過對某型氣動閥門射流級氣壓流場的仿真分析和實驗驗證， 研究了射流先導級各尺寸因素對于射流

級壓力恢復特性的影響，對于該型氣動閥門的設計和改進起到了一定的指導作用，為該閥門的進一步研究分析提供了實驗數據支持。但是流場分析與實驗的吻合度仍然需要進一步提高，實驗的工裝設計需要更加完善。此外，射流級動態特性也可以通過仿真與實驗相結合的手段加以研究，進一步的工作仍有待完成。

參考文獻：

[1] 朱清山.高壓氣動技術的研究發展概況[J].機床與液壓,2010,38(12):1-2.

[2] 羅善譽.電-氣伺服系統的設計[J].液壓與氣動,1990,(1):57-60.

[3] 吳頌平,劉趙淼,等.計算流體力學與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:20-66.

[4] 韓占忠，王敬,等.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社,2004:210-228.

[5] 金瑤蘭,渠立鵬,等.射流管伺服閥AMESim建模與仿真[A].第六屆全國流體傳動與控制學術會議[C].蘭州：蘭州理工大學,2010:82-85.

[6] 李如平.射流管式水壓電液伺服閥研制及特性研究[D].武漢：華中科技大學，2011:53-63.

[7] 趙帥.電-氣轉換器轉換單元的結構設及其電源的設計[D].大連理工大學，2006：24-34.

[8] 謝志剛.射流管伺服閥的流場仿真研究[A].第三屆中國CAE工程分析技術年會論文集[C].大連：大連理工大學,2007:395-400.