基于計算流體動力學的節流閥流量系數研究

解小平，楊 赟

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

基于計算流體動力學的節流閥流量系數研究

解小平，楊 赟

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

節流閥流量系數是緩沖器載荷計算中的一個關鍵參數。為了確定節流閥的流量系數，利用計算流體動力學軟件ADINA-CFD，構造映射網格，采用標準的k-ε湍流模型，對節流閥內部流動進行數值模擬。通過對不同工況下節流閥流場的數值模擬發現：緩沖器節流閥流量系數穩定在某一值，計算得到的緩沖器載荷與試驗載荷曲線吻合，表明文中提出的基于ADINA-CFD的數值模擬方法是可行的。

ADINA-CFD；節流閥；流量系數；數值模擬

0 引言

油氣式緩沖器是現代起落架上必備的部件，其主要功能是依靠油液通過節流閥產生阻尼來吸收直升機著陸和滑行期間的垂向沖擊動能。在起落架著陸性能計算中節流閥流量系數是一個關鍵參數，它與節流閥油孔結構參數密切相關。以往的工程算法是建立在經典流體理論基礎上，處理油孔的形狀、分布、倒角形式等均按面積等效原則進行。這種方法有一定的局限性，現有的理論對流量系數的取值沒有一個明確定義，對于不同形式的節流閥油孔，其流量系數不盡相同，很多情況下都依賴于試驗的方法進行測定。如果在節流閥設計階段就能從總體上了解其周圍油液流動情況，以及不同形式油孔對流量系數的影響，將有利于起落架節流閥優化設計及準確的緩沖器性能計算。

計算流體力學(CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等的相關物理現象進行系統分析。本文以單氣腔緩沖器為模型，利用ADINA軟件中CFD功能模塊對定油孔節流閥周圍流場進行分析，得到流場流量、壓差等參數。利用公式可以計算出節流閥的流量系數，將其代入落錘計算模型中得到落錘模型的載荷曲線，通過與節流閥落錘試驗的載荷曲線進行比較，驗證流量系數計算的準確性。

1 物理問題描述和數值方法

1.1 節流閥的幾何模型和流體網格

本文針對某起落架定油孔節流閥內部流場進行數值模擬計算。節流閥采用單個固定圓形油孔，節流閥的安裝形式如圖1所示，經過適當簡化后可以確定節流閥的計算區域。由于計算區域及流動是軸對稱的，因此采用半平面對稱模型計算，網格采用四節點映射網格，如圖2所示。

圖1 節流閥安裝示意圖 圖2 ADINA計算模型

1.2 參數設置和邊界條件

節流閥的工作介質為液壓油，其密度為850kg/m3，運動粘性系數為60cSt。節流閥油孔直徑為φ12mm，入口速度根據節流閥在緩沖器中的實際情況加以確定，速度取值范圍為1～6m/s。油液與緩沖器及節流閥接觸的壁面均設置為非滑移壁面，在對稱軸位置設置對稱邊界條件。

1.3 數值計算方法

本文使用的是一種基于有限體積法的FCBI算法，它能局部滿足質量守恒和動量守恒，并通過對速度進行插值來滿足迎風條件，與其他單元算法相比具有更好的穩定性和精度。求解器使用了ADINA中提供的一種有效的稀疏矩陣(Sparse)求解器，它是基于Gauss消去的直接求解方法，與傳統求解器矩陣存儲方法不同，它可以大大減小數據存儲量和計算時間。

2 節流閥試驗

本文采用落錘法對節流閥進行試驗。落錘法與落震類似，試驗在落震試驗臺上進行。節流閥試驗件安裝在緩沖器內，緩沖器活塞桿固定在測力平臺上。試驗時控制一定質量的落錘自由墜落撞擊緩沖裝置，通過調整落錘墜落高度來改變撞擊的初速度，測量撞擊過程的載荷、位移等參數。試驗參數見表1。

表1 試驗參數

3 數值模擬與試驗結果分析

3.1 流量系數與緩沖器載荷

緩沖器中油液由壓油腔經過節流閥進入回油腔，在節流閥油孔處油液形成射流而產生斷面收縮，液體出流以后有擴散過程。在收縮斷面處速度最大，壓強最低。隨著射流的擴散，流速降低而壓強升高。由于阻力而產生損失，壓強不能完全恢復。由薄壁孔口出流公式可以推導出流量系數計算公式[1]：

(1)

式中：Q—流經節流閥油液的流量；Ad—油孔過流面積；ρ—油液的密度；ΔP—節流閥前后的壓力差。

落錘緩沖器載荷PH由油液壓力和摩擦力兩部分組成，由公式(1)可以推導出油液壓力公式[2]，見公式(2)右邊第一項，摩擦力是關于氣腔壓力的一次函數Ff(P)。

(2)

式中：ρ—油液密度；A1—緩沖器外筒內徑；V1—緩沖器壓縮過程中瞬時速度；P1—氣腔壓力；Cq—節流閥油孔面積；Ad—油孔過流面積；Ff—緩沖器摩擦力。

落錘運動過程與落震類似，落錘的運動微分方程組見式(3)。根據SH、V1初始條件求解微分方程組得到緩沖器載荷PH隨時間的變化曲線。

(3)

3.2 結果分析

使用ADINA-CFD模塊對節流閥流場進行數值模擬，在設置不同入口速度后進行數值模擬，可以獲得入口和出口的總壓力，然后將獲得的壓力數據由計算公式(1)計算不同入口速度下的節流閥流量系數，結果見表2。將流量系數Cq代入公式(2)中，可以計算出落錘不同下落速度下緩沖器的載荷，計算結果繪制在圖3。A-F六個狀態中兩條曲線走勢基本保持一致，最大載荷值見表2。G狀態中仿真計算與試驗曲線在0～0.01之間出現偏離，主要是試驗時落錘與緩沖器墊了鉛塊，落錘在高速撞擊緩沖器時鉛塊發生變形起到緩沖的作用，試驗載荷上升緩慢，而仿真計算并未考慮鉛塊的影響。表2中列出載荷的峰值及最大相對誤差3.9%，說明本文由ADINA計算得到的流量系數的方法是可行的。

表2 仿真計算與試驗結果對比

圖3 仿真計算與試驗結果對比

4 結論

本文通過建立節流閥模型，利用ADINA計算流體力學功能模塊對節流閥二維流場進行數值模擬，并在此基礎上模擬了緩沖器在不同壓縮速度對流量系數的影響。緩沖器正常工作情況下被研究的節流閥流量系數基本穩定在0.673，通過對比理論仿真計算的載荷曲線與試驗載荷曲線，證明文中計算流量系數的方法是可行的。對于不同結構、形狀和分布的復雜節流閥，可以通過更為真實的三維流場分析得到解決。可以預見， 把ADINA運用到起落架節流閥設計中，將有助于對節流閥進行優化設計，減少設計時間和費用。

[1] 盛敬超.液壓流體力學[M].北京：機械工業出版社，1980.

[2] 航空航天工業部科學技術委員會，編.飛機起落架強度設計指南[M].成都：四川科技出版社，1989.

Research of Throttle Valve’s Discharge Coefficient Based on Computing Fluid Dynamics

XIE Xiaoping，YANG Yun

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Throttle valve’s discharge coefficient is a key parameter of absorber load calculation. To confirm flow coefficient of throttle valve, this paper used computing fluid dynamic software ADINA-CFD to construct mapping grid, and adopted standard k-ε model to simulate the flow of turbulent in throttle. After testing throttle valve’s flow field under different conditions, found that the discharge coefficient of the throttle valve could reach some stable value. Put the discharge coefficient into the absorber load calculation, the value was anatomies to the load curve which out by test. So it showed that numerical simulation based on the ADINA-CFD proposed in this paper was reasonable.

ADINA-CFD；discharge coefficient；numerical simulation

2016-02-26 作者簡介：解小平(1989-)，男，江西吉安人，碩士研究生，主要從事直升機起落裝置的設計和性能分析研究。

1673-1220(2016)02-032-03

V226+.2；TH137.52+2

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