基于FLUENT掘進(jìn)機(jī)插裝式平衡閥多物理場耦合仿真分析

趙美卿

（山西工程技術(shù)學(xué)院，陽泉 045000）

螺紋插裝閥自20世紀(jì)70年代以來，在工程機(jī)械和煤礦機(jī)械等液壓裝備方面的應(yīng)用逐漸增多。螺紋插裝閥是一種常見的核心液壓元件。因掘進(jìn)機(jī)工況復(fù)雜惡劣，尤其當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割部升降液壓缸負(fù)重升降瞬間，平衡閥常常伴隨嚴(yán)重的節(jié)流發(fā)熱、氣穴以及漩渦等現(xiàn)象。因此，有必要研究螺紋插裝式平衡閥的多物理場耦合特性。多物理場耦合主要指液固熱耦合。分析插裝式平衡閥多物理場耦合，能夠?yàn)槠胶忾y的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)[1]。

國內(nèi)不少學(xué)者對插裝式平衡閥進(jìn)行了研究。管傳寶以插裝平衡閥為研究對象，依托鋼拱架安裝機(jī)液壓舉升回路進(jìn)行了動態(tài)特性分析[2]。鄭淑娟分析了插裝型錐閥配合副的流固熱耦合。鄧龍研究了螺紋插裝式平衡閥在平衡回路中的穩(wěn)定性[3]。曹秉剛[4]等利用邊界元方法對錐閥的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值分析，試驗(yàn)研究了錐閥液動力與閥芯錐面的壓力分布[5]，得到錐閥邊界壓力和速度場的分布特征。高殿榮[6]等針對錐閥內(nèi)部流場，利用有限元方法進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了錐閥流場的速度矢量圖和流線圖譜等。本文利用FLUENT軟件模擬掘進(jìn)機(jī)用螺紋插裝式平衡閥多物理場耦合，主要研究液固熱耦合情況下綜合應(yīng)力作用特征、流程特征以及溫度場特性。

1 插裝式平衡閥多物理場耦合概述

插裝式平衡閥常常伴隨嚴(yán)重的節(jié)流發(fā)熱[7]。液壓力和熱應(yīng)力綜合導(dǎo)致了平衡閥變形。變形又和液流和溫度有關(guān)。圖1為螺紋插裝式平衡閥內(nèi)流體、固體以及溫度3種物理場之間的耦合關(guān)系示意圖。螺紋插裝式平衡閥多物理場耦合問題一般采用計算流體力學(xué)CFD方法進(jìn)行分析和研究，以得到切合實(shí)際工作過程的壓力場和速度場等，從而為平衡閥的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

圖1 插裝式平衡閥多物理場耦合示意圖

2 螺紋插裝式平衡閥仿真模型的搭建

根據(jù)實(shí)際工作中螺紋插裝式平衡閥的結(jié)構(gòu)，建立插裝式平衡閥的閥口三維模型如圖2所示。

圖2 插裝式平衡閥的閥口三維模型

流體域模型如圖3（a）所示。圖3（b）為流體域的網(wǎng)格劃分情況。要盡量細(xì)化節(jié)流損失部位網(wǎng)格，對模型進(jìn)行詳細(xì)建模。仿真過程假設(shè)進(jìn)口油液溫度一定。

圖3 流體模型和網(wǎng)格劃分

3 仿真條件設(shè)置

該螺紋插裝式平衡閥中，湍流模型使用standard k-epsilon model，近壁函數(shù)選擇Standard Wall Functions。考慮溫度對模型的影響，打開粘性熱（Energy Equation）選項(xiàng)。單向閥在實(shí)際某工況下的承載壓強(qiáng)為3.5 MPa，因此本次仿真使用此壓強(qiáng)對單向閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。入口溫度25 ℃（298 K），設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行迭代運(yùn)算，可以得到流場結(jié)果。繼續(xù)接入Static Structural模塊，導(dǎo)入溫度場和流體壓力進(jìn)行流固熱耦合，可得到仿真結(jié)果。

4 仿真結(jié)果分析

在設(shè)置仿真條件情況下對多物理場進(jìn)行仿真，從而得到流場分析流體速度流線圖和流體速度矢量圖，分別如圖4和圖5所示。對插裝式平衡閥流體速度和漩渦分布進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果顯示：在插裝式平衡閥節(jié)流口出口處存在負(fù)壓，導(dǎo)致氣泡和氣蝕；節(jié)流口入口處的速度較慢，在主閥的入口處基本沒有漩渦存在，漩渦出現(xiàn)在上部和平衡閥的出口。

圖4 流體速度流線圖

插裝式平衡閥的變形主要涉及節(jié)流發(fā)熱導(dǎo)致的熱變形和油液壓力作用引起的機(jī)械變形兩部分，因此需對插裝錐閥進(jìn)行熱流固耦合分析，主要有閥內(nèi)液流流場分析、閥內(nèi)液流溫度場分析以及流固熱耦合及固體的應(yīng)力應(yīng)變分析。

閥口模型應(yīng)力云圖如圖6（a）所示，可以得到在錐角處的最大應(yīng)力為50 MPa，出口處應(yīng)力為22 MPa。應(yīng)變云圖如圖6（b）所示，最大應(yīng)變位于錐角處，應(yīng)變?yōu)?.000 29 m·m-1。耦合溫度場如圖6（c）所示，可知升溫嚴(yán)重，節(jié)流口最高溫度達(dá)到65 ℃。

圖5 流體速度矢量圖

圖6 閥口仿真云圖

插裝平衡閥的閥芯應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，分別如圖7和圖8所示。節(jié)流損失導(dǎo)致升溫，升溫和液壓力綜合又引起導(dǎo)致閥套和閥芯產(chǎn)生變形。

圖7 閥芯應(yīng)力云圖

圖8 閥芯應(yīng)變云圖

5 結(jié)語

根據(jù)物理樣機(jī)建立平衡閥三維模型，仿真固液耦合作用，進(jìn)而獲得固液升溫規(guī)律。分析閥芯閥套的溫度場和應(yīng)力場的綜合作用，得到熱效應(yīng)和液壓力共同作用下的閥套閥芯變形。可見，閥整體的流固熱耦合為閥套閥芯設(shè)計提供了參考依據(jù)。