液壓集成塊流道數值模擬分析*

雷　琪，王自勤，田豐果，陳家兌

(1.貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴州貴陽550003；2.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

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液壓集成塊流道數值模擬分析*

雷琪1，王自勤1，田豐果2，陳家兌1

(1.貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴州貴陽550003；2.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：應用fluent對液壓集成塊流道進行分析，得到其直角轉彎對壓力損失的影響,得出速度和壓力分布圖，分析不同流速的壓力損失，孔徑大小對壓力損失的影響，以及正反向流的壓力損失情況。結果表明：壓力損失的主要影響是直角轉彎的下流都會形成一處漩渦和流道孔徑縮小處對流體的阻力；在同等流量不同孔徑的流道中，孔徑大小對壓力損失比較敏感，在設計允許的情況下，應適當增大孔徑；同時改進后的流道，壓力損失和氣穴得到明顯的改善。

關鍵詞:液壓集成塊壓力損失速度分布圖

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廖源泉(1992-)，男，漢族，湖北黃岡人，南華大學機械工程學院碩士研究生，主要研究方向:計算機集成制造系統。

0引言

液壓集成塊是液壓集成必不可少的元件之一，它具有結構緊湊、元件密度高、占據空間小，維護、安裝、調整和更換液壓元件方便等優點，廣泛運用于現代的液壓系統中。一般來說，液壓集成塊的內部孔道，通常采用鉆、鏜等一般傳統的加工方法。采用機械加工的方法一般不能形成流線型流道，直角轉彎流道比較多，從而導致流場結構復雜，能量損失增加。液壓集成塊的內部通油孔道屬于典型的復雜空間孔系，在一個塊體上縱橫交錯液壓集成塊分布著很多個長短、大小不一和位置不同的流道，流道的連接形式可分為短直管路、直角轉彎管路、突擴(縮) 管路和交叉管路。本文應用fluent流體軟件分析孔徑大小和直角轉彎對壓力損失的影響，為改進集成塊流道提供依據[1-6]。

1仿真模擬建立

圖1　物理模型

本文是以液壓可變配氣發動機中液壓集成塊為研究對象。由于集成化的結構緊湊性，如圖1所示，該對象油路集成有7個直角轉彎，速度入口通過凸輪推動柱塞運動，在不同轉速下液壓油的流速都不同，凸輪轉速到達2 000 r/min，是一個比較常用和較大的轉速，可以作為研究速度,轉化到速度入口(孔徑為16 mm)流速為1.41 m/s，本文主要是分析流速1.41 m/s換算到孔徑為6 mm中流速為10 m/s。

2液壓集成塊內部流道的數學模型

液壓集成塊內部的液流為粘性不可壓縮流體，液流在直角管道轉向處多數情況下為湍流流動[7]，因此采用標準k-ε湍流模型控制，具體控制方程[8]如下:

(1)連續性方程

(1)

式中：u，v和w為速度矢量在x，y和z方向的分量。

(2)動量(Navier-Stokes)方程

(2)

(3)標準k-ε方程

(3)

式中：μ1為湍動粘度；Cμ為經驗常數，這里取Cμ=0.09；k為湍動能；ε為湍動耗散率。

(4)湍動能k的輸運方程

(4)

(5)耗散率ε的運輸方程

(5)

式中：C1ε、C2ε、σε為經驗常數，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σε=1.3。

3網格劃分與邊界條件設置

用UG畫出三維圖，導出step格式，將step格式導入Gambit中，對其進行網格劃分，網格單元采用Tet/Hybird,網格類型采用TGrid[9]，定義其邊界的速度進口，壓力出口，導出mesh文件。在fluent軟件中設置速度入口(1.41 m/s)和壓力出口(0 Pa)，液壓油密度866 kg/m3，動力粘度0.013 kg/m·s。湍流模型選擇標準k-ε模型，監視窗口設置速度進口、壓力出口為面監控(Surface Monitors),選擇類型為區域重量平均(Area-Weighted Average),其他設置不變[10]。

4仿真結果及分析

對速度入口設置流速為1.41 m/s，出口壓力設置為0 Pa，仿真結果如圖2所示，從圖中可以看出，速度分布圖，在速度入口管徑為16 mm的，流線基本是一致的，比較穩定，沒有出現漩渦；液壓油由孔徑為16 mm流入孔徑為6 mm的流道中，流速分布相對比較均勻，從圖中直角轉彎1處有較小的漩渦，影響壓力損失的主要原因不是漩渦。同時可以在直角轉彎2-7處的流速圖得出，在直角轉彎的下流都會產生一個漩渦，且產生的漩渦比直角轉彎1處程度要大很多，同時管內的流速分布不均勻，最大流速主要分布在漩渦處的上面，說明管內流速不均勻主要是漩渦造成的，漩渦程度越大對其流速分布不均勻影響越大，流線密集程度越高，壓力損失越大。

圖2　速度分布圖

如圖3所示，為中心對稱壓力分布圖，從圖中可以看出入口壓力基本恒定為0.528 MPa，出口壓力為0，說明入口速度為1.41 m/s，管內壓力損失為0.528 MPa,根據實驗數據孔內的最大油壓為6.3 MPa，壓力損失占系統油壓8.38%，對系統有一定影響。同時得出管徑16 mm的導管內的壓力損失較小；對其直角轉彎處的壓力損失進行分析，以X軸的導管長度(單位mm)，以Y軸為壓力圖，同時取軸的中心對稱的壓力分布圖的壓力損失，對其作出如圖4所示，圖中的序號代表每一處直角轉彎，從圖中分析可以得出，1處的直角轉彎壓力損失最大，說明孔徑縮小壓力損失最大為0.06 MPa，對流體壓力損失較大，其能量消耗在孔徑縮小的流體阻力上；同時從圖中還可以得出，直孔對液體壓力損失較小；直角轉彎處的下游都會形成一處漩渦，在3和4處的之間的直管的壓力梯度大，形成的漩渦的強度最大，這主要是兩處直角轉彎間的距離較小造成的，最大梯度油壓差0.12 MPa；在7處的漩渦出現負值，容易出現氣穴等不利于集成導管的現象。

圖3　壓力分布圖

圖4　直角轉彎壓力損失圖

5集成流道孔徑大小對流場的影響大小

當集成油路進口速度為1.41 m/s，孔徑為16 mm不變，對油路集成部分的孔徑分布設置為4、5、6、7、8 mm進行分析，得出壓力損失分別為2.687 MPa、1.072 MPa、0.528 MPa、0.293 MPa、0.176 MPa，得出圖5，從圖可以得出，孔徑的大小對流場壓力損失影響很大，也很敏感，主要是孔徑大小影響孔內流速，當孔徑減小時，孔內流速增大，同時在孔徑縮小處對壓力能量損失更大，在直角轉彎處形成的漩渦更明顯，更劇烈。

圖5　不同孔徑的壓力損失圖

6集成流道不同流速的正反向流的壓力損失

集成油路孔徑6 mm的流速設置為1 m/s~10 m/s，正向流即液壓油(圖1)從速度入口流入，反向流即(圖1)從壓力出口流入，并在fluent中調整其相關邊界條件，得到不同流速的壓力損失,如圖6所示，正向流的壓力損失要比反向壓力損失要大，且基本為定值，主要是正向流在孔徑縮小處損失的能量要比反向流在孔徑增大處的大。

圖6　正反向流的壓力損失圖

7集成流道直角轉彎處改進設置

集成油路主要是工藝孔產生的直角，壓力損失主要由直角轉彎處造成的，如果改善其相交直角轉彎處為一定的曲率半徑，設置其曲率半徑10 mm,則得出孔徑(6 mm)在1 m/s~10 m/s的壓力損失，與不改進的壓力損失進行對比，如圖7所示，可以得出直角彎角處改進成10 mm曲率半徑,壓力損失明顯減少,隨著流速越大壓力損失減少的越明顯。同時改進后速度流線分布圖，如圖8所示，可以得出速度流線分布比較均勻，沒有出現漩渦，這有利于流體運動狀態，減少壓力漩渦帶來的壓力損失。最大壓力損失是0.29 MPa，占系統最大壓力的4.6%，可以看出得到明顯的改善。

8結論

1)在直角轉彎的下游都會形成一個漩渦，這是壓力損失的主要原因，在孔徑縮小處壓力損失最大，主要是能量消耗在孔徑縮小的流體阻力上。

2)油路孔徑大小對壓力損失影響很大，在設計時應適當加大孔徑，適當減少孔徑突縮。

3)集成塊流道應適當減少直角轉彎，多使用曲率轉角，有利于減少壓力損失，同時減少流道轉角處的漩渦和氣穴等不利現象。

4)流道改進前的壓力損失為0.528 MPa，占系統總壓的8.38%，改進后的為0.29 MPa，占系統總壓的4.6%，得到明顯的改善。

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王自勤(1954-)，男，貴州貴陽人，教授，博士生導師，主要研究方向：發動機可變氣門驅動技術，機械制造。

Numerical simulation analysis of pipeline of hydraulic manifold block

LEI Qi,WANG Ziqin,TIAN Fengguo,CHEN Jiadui

Abstract:This paper analyzes the pipeline of hydraulic manifold block with fluent in order to examine how its quarter turn affects the pressure loss, and work out the velocity and pressure profile. It is also investigated how different flow velocity, aperture size，and flow direction influence the pressure loss. The results show that: the main cause of the pressure loss is from the vortex at the lower part of the quarter turn and the narrower part of the pipe, both of which produce resistance to the fluid; and the aperture size apparently affects the pressure loss at the same flow rate. If the design allows, it is desirable that the aperture be properly enlarged. The pressure loss is decreased and cavitation improved after the optimization of the pipeline.

Keywords:hydraulic manifold block; pressure loss; velocity profile

收稿日期：2015-07-21 2015-07-14

通訊作者：劉瓊(1980-)，男，漢族，湖南衡陽人，南華大學機械工程學院講師，博士，主要研究方向:計算機集成制造系統。

作者簡介：陳俊明(1989-)，男，湖南永州人，南華大學機械工程學院碩士研究生，主要研究方向:現代設計理論與方法。 雷琪(1989-)，男，湖南郴州人，在讀碩士，主要研究方向：發動機可變氣門技術和CAE技術。

基金項目：南華大學科研啟動基金資助項目(2007XQD35，2014XQD43);湖南省自然科學基金資助項目(10JJ4037)。 貴州省科技廳貴州大學聯合基金(黔科合LH字[2014]7626)。

中圖分類號：TP391.9；TH137.9

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0019-04