液壓多路閥CFD仿真分析與試驗研究

羅春雷

摘要：針對三一汽車起重機械公司某型號多路閥閥腔內的復雜流動情況，通過對其進行CFD模擬仿真，分析內部的流動特性，并探究不同工況下的閥芯受力情況。考慮開口度大小、閥芯旋轉角度、附面層厚度等因素，借助CFD軟件STAR CCM+進行了大量的仿真計算。仿真結果表明，油液在節流口的節流特性是造成進出口壓力損失、速度變化的主要原因;閥芯受到的液動力大小與流量、開口度大小相關（流量、開口度等都是影響液動力大小的重要因素）。在專門的起重機主閥性能試驗臺對多路閥進行試驗，試驗與仿真的結果較為接近，在誤差允許范圍之內。

關鍵詞：多路閥;Star CCM+;流場特性;穩態液動力

0 ?引言

多路閥作為液壓系統中的控制元件，通過閥芯在閥腔內的軸向移動實現對流體流量大小、方向等的控制，但由于多路閥自身特性的影響，不可避免的帶來噪聲以及能量損失等問題。因此，多路閥性能的好壞，影響整個液壓系統的可靠性[1]。

1 ?CFD模型及解析假定

1.1 液壓多路閥的三維模型

通過建立液壓閥的幾何模型，來對其內部流場進行分析，需要對模型做一定的簡化處理[2]。在仿真時，僅考慮與液壓油直接接觸的油道表面，將其余面刪除;CFD計算需要模型保持良好的水密性，故對進出口進行封閉處理。簡化后的模型如圖1所示。

1.2 解析假定

在STAR CCM+軟件中對多路閥進行仿真時，假定仿真模型滿足以下條件：①該多路閥為理想多路閥，不存在制造及裝配誤差，及不存在任何縫隙和瑕疵;②流體為牛頓流體，不能夠被壓縮;③對于閥腔內流體重力和傳熱的影響不予考慮;④流場中不包含其他介質，為單相流不存在流固耦合;⑤采用46號液壓油，并且工作時的溫度保持在50°左右。按照油液的粘-溫特性選定液壓油的粘度，采用密度為870.0kg/m3的液壓油，動力粘度為0.0261Pa-s。

1.3 網格劃分及邊界條件

1.3.1 網格劃分

對于試驗模型網格的劃分，借助STAR CCM+內置的網格技術，可以快捷全面的對模型進行網格化處理，本課題因為計算模型相對復雜，結構化網格不能滿足，所以選用非結構化網格。并且STAR CCM+提供的多面體網格也非常適合復雜的幾何模型。

由于閥芯的結構相對微小，針對于整個多路閥設置的網格參數，對于閥芯來說相對偏大，所以需要對閥芯進行局部細化，以保證在進行模擬計算時，不會出現不必要的錯誤。

1.3.2 邊界條件

本文的邊界條件設置如下：①工作流體入口（Inlet）：本文采用的是質量流量入口，進油口就是質量流量入口。②工作流體出口（Outlet）：本文采用的是壓力出口，出油口就是壓力出口。③對于本文模型，閥道壁面很明顯是靜止的、無滑移的，因此在將閥道壁面定義為絕熱且不發生滑移。

2 ?仿真結果與分析

2.1 多路閥不同開度時的流場分析

為了解多路閥在不同開度下的閥腔內流場特性和閥芯受力情況，針對閥芯在不同開度、不同流量進行仿真計算[3]。在此不一一列舉，僅以閥口開度為10.5mm，流量為120L/min的仿真結果加以分析，通過分析壓力、速度、液動力來為多路閥的優化提供理論依據。

①壓力分布。由圖2的截面靜壓力云圖分布情況可知，高壓油從入口進入多路閥，當油液流經多路閥主節流口時，油壓迅速下降，壓力變化主要發生在此處，主要是由于過流面積變小，導致流速增大，從而引起壓強變小，并且在節流口的拐角處形成局部低壓區。油液通過其余次節流口，油壓下降緩慢，漸漸趨于平穩，最后經出口處流出。通過與其他靜壓比較，發現閥口開度為8.5mm時的進口壓力高于開口度9.5mm和10.5mm時的進口壓力。并與其他各閥口開度的模擬結果比較，發現開度越小，且閥腔內各個監測點的壓力都隨著進口壓力的增大而增大。通過比較各閥口開度的局部低壓區，發現當進口流量相同時，局部低壓區的壓力隨閥口的減小而減小。當開度保持不變和針對不同流量大小的情況，發現流量越小，閥芯拐角處低壓區的壓力越大。

②速度分布。由圖3的截面流線云圖分布情況可知，速度的變化趨勢是不受閥口開度的影響的，不同開度的液壓閥的流速變化的趨勢基本相同， 入口流速保持平穩，到達節流口處時，由于節流口閥芯節流槽的存在，使得過流截面的面積發生改變，所以流速、壓力都會發生變化，根據伯努利方程可以知道，如果過流截面面積變小，必然導致壓力的迅速降低，進而引起流速的減小，這與圖3中壓力在節流口處突然降低相符合。從圖3中，我們還可以看出，在閥腔和閥座的拐并在節流口處產生射流的現象，同時由于流動通道尺寸突然變小，在流束與壁面之間還將形成漩渦。通過與其他截面流線比較，發現閥口開度為8.5mm時節流口處的流速要大于閥口開度為9.5mm和10.5mm時的流速。比較相同流量和不同閥門開度的速度云圖，并且當閥門開度較小，閥腔內的壓力會增加，閥腔內的渦流也將減小。

2.2 試驗與結果

將某型號多路閥作為研究對象，對該試驗驗證閥進行試驗，試驗在專門的起重機主閥性能試驗臺上進行，將壓力傳感器安裝在閥體上，測量閥腔內6個點的壓力，并用微型軸向拉壓力傳感器測量閥芯所受液動力的大小，將微型軸向拉壓力傳感器一端固定，另一端與閥芯接觸。拉壓傳感器安裝位置如圖4所示。將測試結果與仿真結果相比較發現，測試結果與仿真結果基本吻合。

3 ?結論

對多路閥壓力、速度、液動力進行仿真分析，得到相應的云圖、數據和曲線，對比仿真及試驗結果，可以得到以下結論：

①油液經多路閥主節流口時，由于節流槽的存在，過流截面面積減小，壓力也會隨之降低，根據伯努利方程，速度也迅速上升;

②流量相同時，開度越小，入口壓力越大，閥腔內各點的壓力越大;節流口處的流速也越大。

參考文獻：

[1]高俊庭，殷晨波，葉儀，李萍，周玲君.非全周開口的液壓滑閥內部流場的CFD解析[J].液壓與氣動，2013（05）：58-61.

[2]LIU Jianmin.Radar handbook[M]. New York： McGraw- Hill，1990：3-10.

[3]曹飛梅.基于CFD對不同結構形狀的滑閥閥芯流場可視化分析與研究[D].太原理工大學，2018.

[4]房小立.基于CFD有限元法的滑閥穩態液動力研究[D].武漢科技大學，2012.

[5]工程流體力學[M].上海交通大學出版社，2006，1.