微型航空氣壓電磁閥流場(chǎng)仿真分析

陳元愷 郭子昂 趙振平 顧寶龍 孫燦飛

摘要：為了探尋動(dòng)閥芯開度對(duì)微型航空氣壓電磁閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響，從而找到合適的動(dòng)閥芯開度范圍，同時(shí)對(duì)電磁閥內(nèi)部流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對(duì)某型機(jī)載微型航空氣壓電磁閥進(jìn)行了數(shù)值模擬及流量試驗(yàn)。首先建立了5組動(dòng)閥芯不同開度時(shí)的流道三維模型，接著分別對(duì)流道模型進(jìn)行了6個(gè)不同進(jìn)氣壓力下的仿真計(jì)算，詳細(xì)分析了動(dòng)閥芯開度對(duì)氣壓電磁閥內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布、流速、湍流動(dòng)能、出口流量的影響，同時(shí)對(duì)出口流量值進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，通過(guò)與流量實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，校核了電磁閥設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式中的重要參數(shù)呼吸系數(shù)。結(jié)果表明，電磁閥開度大于0.3mm可以避免氣蝕產(chǎn)生；由于氣體經(jīng)過(guò)動(dòng)閥芯兩段對(duì)稱溝槽后對(duì)向噴射進(jìn)入靜閥芯氣孔，此區(qū)域?yàn)殡姶砰y內(nèi)湍流強(qiáng)度最大區(qū)域。

關(guān)鍵詞：微型航空氣壓電磁閥；動(dòng)閥芯開度；計(jì)算流體力學(xué)；呼吸系數(shù)

中圖分類號(hào)：TH138.52+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.003

基金項(xiàng)目：航空工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2013F63342R）

微型航空氣壓電磁閥是飛機(jī)機(jī)載供氧系統(tǒng)中的氣流控制裝置，接收到電控信號(hào)后能夠?qū)崿F(xiàn)開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)微型航空氣壓電磁閥的氧氣進(jìn)行通斷控制[1]。動(dòng)閥芯開度[2]是指電磁閥開啟狀態(tài)下動(dòng)閥芯密封面與出氣孔的距離，是關(guān)系到微型航空氣壓電磁閥流通能力的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[3-5]。

在電磁閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，動(dòng)閥芯開度值的設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是困擾設(shè)計(jì)人員的一個(gè)難題[6]。目前該領(lǐng)域電磁閥開度值的設(shè)計(jì)主要有兩種方法，一種是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得，另一種是借助計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)進(jìn)行仿真[7-10]。對(duì)于采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的方法，由于不同種類的電磁閥產(chǎn)品的使用工況、流道結(jié)構(gòu)差異較大，導(dǎo)致最終實(shí)際流通能力與設(shè)計(jì)值偏差較大[10-14]。因此本研究通過(guò)對(duì)微型航空氣壓電磁閥內(nèi)部進(jìn)行流場(chǎng)仿真來(lái)分析動(dòng)閥芯開度對(duì)電磁閥內(nèi)氣流特性的影響，校核其設(shè)計(jì)參數(shù)——呼吸系數(shù)，針對(duì)內(nèi)部氣體流動(dòng)情況來(lái)給出減少流動(dòng)能量散耗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，為微型航空氣壓電磁閥系列產(chǎn)品的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及閥芯開度值的精確設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1微型航空氣壓電磁閥工作原理

微型航空氣壓電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，正常情況下封墊座在彈簧力的作用下通過(guò)密封墊壓緊閥頭上的出氣嘴，使壓縮氣體被密封；用直流電源給線圈組件通電時(shí)，線圈組件內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)（閥芯起聚集磁力線、增強(qiáng)磁場(chǎng)的作用），封墊座在電磁力的作用下移動(dòng)，從而使閥頭的出氣嘴打開。

2微型航空氣壓電磁閥流道幾何模型

氣體流經(jīng)該氣壓電磁閥的途徑依次為：氣嘴進(jìn)氣口、動(dòng)閥芯側(cè)面溝槽、靜閥芯氣孔和閥殼出氣口。在三維建模軟件中建立氣體流經(jīng)的路徑幾何模型，如圖2所示。

當(dāng)動(dòng)閥芯開度不一樣時(shí)，氣流狀態(tài)將發(fā)生改變，為了探索該氣壓電磁閥動(dòng)閥芯開度對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的影響，本文建立了5組不同開度的流道模型，分別為開度d=0.1mm，d=0.2mm，d= 0.3mm，d=0.4mm，d=0.5mm，流道模型剖視圖如圖3所示。

3數(shù)值模擬

3.1網(wǎng)格劃分

流道模型創(chuàng)建好之后需要進(jìn)行完網(wǎng)格劃分，本模型采用四面體網(wǎng)格對(duì)流道進(jìn)行劃分，在流道截面變化劇烈的位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密，來(lái)實(shí)現(xiàn)較為平順的過(guò)渡。采用了網(wǎng)格比較研究保證計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

3.2設(shè)置邊界條件及計(jì)算

入口設(shè)置為壓力入口，出口為壓力出口，其余流道表面為壁面，假設(shè)空氣為不可壓縮，且空氣從入口到出口的流體時(shí)間極短，來(lái)不及與外界發(fā)生熱交換，可看作是絕熱流體。

使用三維穩(wěn)態(tài)隱式求解器，選擇湍流模型配合N-S控制方程，差分格式為二階迎風(fēng)。針對(duì)5組動(dòng)閥芯不同開度時(shí)的流道三維模型，分別計(jì)算了其在6個(gè)不同進(jìn)氣壓力（0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa）下的流動(dòng)特性。

4仿真結(jié)果分析

4.1出口流量仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

將開度為0.3mm時(shí)的電磁閥試驗(yàn)件出口流量仿真Q值與實(shí)測(cè)值比較，如圖5所示，平均誤差為3.8%，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

4.2出口流量分析及λ值校核

將各模型不同壓力下出口流量數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖6所示。從圖6可以看出，入口壓力從0.1MPa增加到0.6 MPa各流道模型的出口流量均增大，且增大趨勢(shì)隨著壓力增大略有減小；同一入口壓力下，隨著開度增大，電磁閥出口流量變大，開度從0.1mm增大為0.3mm時(shí)，出口流量增大值最顯著，開度從0.3mm增大為0.5mm時(shí)，出口流量增大值較小。

式（1）為電磁閥設(shè)計(jì)中流量估算經(jīng)驗(yàn)公式，電磁閥入口孔直徑D=1.2mm，將數(shù)值模擬得到的流量值代入式（1）可得表1。

求其算術(shù)平均值可得λ=0.642，處于設(shè)計(jì)取值范圍0.5～0.7區(qū)間，與設(shè)計(jì)時(shí)取值0.6接近，誤差為7%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，0.6為該微型航空氣壓電磁閥較為精確的呼吸系數(shù)推薦值。

4.3常態(tài)工作時(shí)閥芯開度對(duì)流場(chǎng)影響分析

該微型航空氣壓電磁閥常態(tài)工作壓力為0.4MPa，故對(duì)入口壓力為0.4MPa時(shí)，動(dòng)閥芯開度分別為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm時(shí)，流場(chǎng)壓力、流速、湍流動(dòng)能情況進(jìn)行分析，分別將數(shù)值模擬結(jié)果后處理，如圖7～圖9所示。

從圖7壓力云圖可以看出，電磁閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力變化主要分布在入口與動(dòng)閥芯連接處、動(dòng)閥芯溝槽與靜閥芯過(guò)渡處、靜閥芯與閥殼出氣口連接處，這幾處均為流道截面突變處；動(dòng)閥芯開度為0.1mm時(shí)，氣體流經(jīng)入口與動(dòng)閥芯連接處，這幾處均為流道截面突變處；動(dòng)閥芯開度為0.1mm時(shí)，可以看到在入口與動(dòng)閥芯連接的流域出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓區(qū)域，負(fù)壓區(qū)的出現(xiàn)可能導(dǎo)致氣蝕，破壞動(dòng)閥芯保護(hù)膜，使其表面形成許多細(xì)小麻點(diǎn)。形成了旋渦區(qū)，隨著動(dòng)閥芯開度增大，旋渦區(qū)的范圍增大，這是因?yàn)樾￠_度起到了很顯著的截流效果，令流場(chǎng)后程流速急劇減小，因此旋渦區(qū)范圍減小。

從圖9湍流動(dòng)能云圖可以看出，氣體從動(dòng)閥芯溝槽流入靜閥芯氣孔的這一流場(chǎng)區(qū)域是整個(gè)氣壓電磁閥流場(chǎng)湍流強(qiáng)度最大的一段，這是由于氣體經(jīng)過(guò)兩段對(duì)稱溝槽后，在這一區(qū)域?qū)ο驀娚洌斐闪朔浅４蟮哪芰可⒑摹?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/02/04/qkimageshkxjhkxj202009hkxj20200903-7-l.jpg"/>

5結(jié)論

本文通過(guò)建立不同開度的微型航空氣壓電磁閥模型，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)其進(jìn)行了流場(chǎng)仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與處理，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果出口流量值的統(tǒng)計(jì)與處理，得出氣壓電磁閥的呼吸系數(shù)λ=0.642，與設(shè)計(jì)值0.6接近，證明了開度0.1mm增加到0.3mm時(shí)，氣壓電磁閥出口流量增益最顯著，開度大于0.3mm后，開度對(duì)出口流量的增益較小。

（2）電磁閥流場(chǎng)壓力變化主要分布于流道截面突變處，開度小于0.2 mm時(shí)，入口與動(dòng)閥芯連接的流域出現(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū)域，此處易導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象，開度大于0.3 mm時(shí)，該處負(fù)壓區(qū)域消失。

（3）電磁閥流場(chǎng)內(nèi)湍流強(qiáng)度最大區(qū)域位于動(dòng)閥芯溝槽流入靜閥芯氣孔處，造成此現(xiàn)象的原因是氣體經(jīng)過(guò)動(dòng)閥芯兩段對(duì)稱溝槽后，在這一區(qū)域?qū)ο驀娚洌梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)改變動(dòng)閥芯溝槽末端角度，引導(dǎo)氣體斜向射入氣孔，來(lái)實(shí)現(xiàn)減少能量散耗、增大出口流量的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]Verteeg H K. Malasekera computational fluid dynamics[M]. New York：World Book Publishing Corporation，1995.

[2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004. Wang Fujun. Computational fluid mechanics analysis-software and principles[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004.（in Chinese）

[3]屈鐸，彭利坤，林俊興，等.基于CFD的球閥閥腔流場(chǎng)的數(shù)值仿真[J].液壓與氣動(dòng)，2014（11）：112 -115. Qu Duo， Peng Likun，Lin Junxing，et al.Numerical simulation of flow field of the ball valve cavity based on CFD[J].Chinese Hydraulics&Pneumatics，2014（11）：112-115.（in Chinese）

[4]張立棟，祝開麟，張玲，等.不同結(jié)構(gòu)聯(lián)箱內(nèi)渦量場(chǎng)及流量不均勻性分析[J].壓力容器，2017，34（3）：44-49. Zhang Lidong，Zhu Kaiqi， Zhang Ling，et al. Analysis of vorticity field and flow unevenness in different structural header [J]. Pressure Vessel Technology， 2017，34（3）：44-49.（in Chinese）

[5]張功暉，黎志航，周志鴻.基于Fluent流場(chǎng)數(shù)值仿真的管路流量計(jì)算[J].液壓氣動(dòng)與密封，2010（12）：41-43. Zhang Gonghui， Li Zhihang， Zhou Zhihong. Air-passage structure improving of pneumatic electromagnetic valve based onflowfieldsimulationwithingFluent[J].Hydraulics Pneumatics & Seals，2010（12）：41-43.（in Chinese）

[6]Ahmed B，Lu Huilin.Determination of pressure profile during closed-vessel test through CFD simulation[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2016（1）：10-16.

[7]曹飛梅，姚平喜.不同結(jié)構(gòu)閥芯的滑閥流場(chǎng)CFD分析[J].液壓與氣動(dòng)，2017（8）：40-43. Cao Feimei， Yao Pingxi. Flow field analysis for spool valve with different structure spools[J]. Chinese Hydraulics&Pneumatics，2017（8）：40-43.（in Chinese）

[8]盧圣旺，馬藝，鄭生宏，等.不同含氣率下球閥內(nèi)部流動(dòng)特性試驗(yàn)及其數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械，2017（4）：1-6. Lu Shengwang， Ma Yi， Zheng Shenghong， et al. Experimental study and numerical simulation of two-phase flow characteristics on ball valve under different gas rate[J]. Fluid Machinery，2017（4）：1-6.（in Chinese）

[9]Peter C. Transient simulations of valvemotionin cryogenic systems[R].AIAA 2005-5152，2005.

[10]Ahujia V.Analysis of transient event in complex valve and feed systems[R].AIAA 2005-4549，2005.

[11]King D F，Matis G P.Advanced E-O test capability for army next-generation automated test system[C]//Society of PhotoOptical Instrumentation Engineers Conference Series. SPIE，2015.

[12]張晉，龔學(xué)知，豆旭安，等.某超高壓電磁球閥流場(chǎng)特性分析[J].液壓與氣動(dòng)，2017（8）：68-72. Zhang Jin，Gong Xuezhi，Dou Xuan.Flow field characteristic of ultrahigh pressure electromagnetic ball valve[J]. Chinese Hydraulics&Pneumatics，2017（8）：68-72.（in Chinese）

[13]胡余生，徐瑞，黃艷芬，等.基于CFD方法的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能分析[J].流體機(jī)械，2017（1）：38-42. Hu Yusheng， Xu Rui， Huang Yanfen， et al.Transient analysis of rolling piston compressor by CFD method[J]. Fluid Machinery， 2017（1）：38-72.（in Chinese）

[14]楊文強(qiáng)，張翠峰，張冕.大型飛機(jī)客艙氣流組織分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2017，28（6）：15-20. Yang Wenqiang， Zhang Cuifeng， Zhang Mian. Analysis and design optimization of airflow distrubution for large aircraft cabin[J].Aeronautical Science & Technology， 2017，28（6）：15-20.（in Chinese）（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

陳元愷（1989-）男，工程師，碩士。主要研究方向：氣動(dòng)執(zhí)行元器件的研發(fā)。

Tel：13788991947E-mail：chenyuankai007@163.com

Flow Field Simulation Analysis of Micro Pneumatic Solenoid Valve

Chen Yuankai1，*，Guo Ziang1，Zhao Zhenping1，Gu Baolong1，2，Sun Canfei1，2

1. AVIC Shanghai Aero Mersurement-Controlling Institude，Shanghai 201601，China

2. Key Laboratory of Aviation Technology for Fault Diagnosis and Health Management Research，Shanghai 201601，China

Abstract： To explore the influence of the dynamic spool opening on the internal flow field of the micro pneumatic solenoid valve， and find out the suitable range of dynamic spool opening values， numerical simulation of a certain type of micro pneumatic solenoid valve are carried out. Firstly， five groups of flow path model are built， then carry out the simulation calculations of the flow path model under 6 different inlet pressures， analyze effects of the opening values on five parameters， process the data of the outlet flow value. Results show that cavitation can be avoided when the spool opening is greater than 0.3m. The gases pass through the two symmetrical grooves， then injects into stomata of the static spool in opposite direction， this area is the largest turbulence intensity in the pneumatic solenoid valve.

Key Words： micro pneumatic solenoid valve； dynamic spool opening； computation fluid dynamics； respiratory coefficient