電子水閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真及其試驗研究*

張 波,張 莉,王宏偉,曹淼龍,楊元健

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.臺州學(xué)院 智能制造學(xué)院,浙江 臺州 318000;3.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司,浙江 臺州 317200)

0 引 言

電子水閥是一種新型的冷卻液流量調(diào)節(jié)閥,是新能源汽車熱管理系統(tǒng)的核心零部件之一,其主要作用是調(diào)節(jié)不同管路冷卻液的流量大小,將各工作部位的溫度控制在合適的范圍內(nèi),以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和能量有效利用的目的。

流量調(diào)節(jié)閥是工業(yè)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。常見的流量調(diào)節(jié)閥有:球閥、三通閥、旋轉(zhuǎn)閥和蝶閥等[1]。

目前,國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)對流量調(diào)節(jié)閥做了大量的研究。MOUJAES S F等人[2,3]對湍流狀態(tài)下不同閥門開度的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了壓降仿真分析,并通過實(shí)驗對其仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。LISOWSKI E等人[4,5]基于CFD,針對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)閥在不同工況下的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了分析,并通過實(shí)驗對其分析結(jié)果進(jìn)行了驗證。張立強(qiáng)等人[6]分析了不同開度下,調(diào)節(jié)閥的壓力場和速度場,并對閥內(nèi)發(fā)生空化現(xiàn)象的區(qū)域和空化強(qiáng)度進(jìn)行了初步的分析和預(yù)測。金偉等人[7]對旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥的工作原理,以及閥芯旋轉(zhuǎn)過程中閥體內(nèi)部的流動特性分別進(jìn)行了詳細(xì)研究。

三通閥是流量調(diào)節(jié)閥中最常見的一種。按其作用形式的不同,三通閥可分為兩種:合流閥和分流閥[8，9]。三通調(diào)節(jié)閥能夠?qū)Σ煌苈返牧髁刻匦赃M(jìn)行調(diào)節(jié),可以替代2個二通閥和1個三通接管,因此,其既可減少成本,又可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

目前,對三通調(diào)節(jié)閥的研究主要側(cè)重于對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化與流動特性的分析。李樹勛等人[10]運(yùn)用遺傳優(yōu)化算法,確定了三通調(diào)節(jié)閥節(jié)流盤的開口型線,并對其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和試驗驗證。靳淑軍等人[11]運(yùn)用CFD軟件對三通調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道進(jìn)行了數(shù)值模擬,探究了上、下閥座壓力梯度和速度梯度隨閥門開度的變化規(guī)律。章茂森等人[12]對三通調(diào)節(jié)閥內(nèi)部湍流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,分析了不同工況下閥芯節(jié)流錐面對內(nèi)部湍流動能和耗散率的影響。孫彩珍等人[13]對三通調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了流場的流動特性分析,并通過測試試驗和對比分析的方法,研究了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動特性的變化規(guī)律。

壓降是衡量電子水閥使用性能的一個重要指標(biāo)。壓降過大會導(dǎo)致整個熱管理系統(tǒng)的冷卻液循環(huán)動力不足,從而使電機(jī)、電池等發(fā)熱嚴(yán)重部位的熱量無法及時帶走,引發(fā)高溫故障,導(dǎo)致車輛無法正常使用。

本文以現(xiàn)有電子水閥為研究對象,根據(jù)影響壓力損失的結(jié)構(gòu)因素變量設(shè)計正交試驗,采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓降和流動特性分析,研究電子水閥不同閥門開度下的流場壓力分布和流速變化規(guī)律,為調(diào)節(jié)類閥門的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

1.1 流道結(jié)構(gòu)及其工作原理

電子水閥的流道結(jié)構(gòu)由1個入口管道、2個出口管道以及閥芯組成,電子水閥及其流道結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖1所示。

圖1 電子水閥及其流道結(jié)構(gòu)剖面示意圖A—管道直徑;B—入口縮角;C—出口擴(kuò)角;D—閥芯流道轉(zhuǎn)角

電子水閥的工作原理:將ECU采集的溫度數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,驅(qū)動電機(jī)帶動閥芯轉(zhuǎn)動,通過改變閥芯與進(jìn)出口管道之間的相對位置,實(shí)現(xiàn)對不同管路的冷卻液進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

在初始狀態(tài)(閥芯旋轉(zhuǎn)0°)時,默認(rèn)旁通閥門為全開,直通閥門為全閉;在閥芯順時針旋轉(zhuǎn)過程中,旁通閥門逐漸閉合,直通閥門逐漸打開,直至完全開啟。

電子水閥傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

1.2.1 多因素正交試驗

由流道的結(jié)構(gòu)組成可知:影響壓力損失的主要因素為管道直徑、入口縮角、出口擴(kuò)角和閥芯流道轉(zhuǎn)角。但由于涉及影響因素較多,利用單因素逐一試驗法無法確定流道最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上,筆者利用Design-Expert優(yōu)化設(shè)計軟件,設(shè)計多因素正交試驗。

仿真試驗因素與水平如表2所示。

表2 仿真試驗因素與水平

1.2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

筆者根據(jù)正交試驗設(shè)計生成的變量組合進(jìn)行數(shù)值模擬試驗,以10 L/min時的旁通壓降Δp和最小流通面積S作為優(yōu)化目標(biāo);根據(jù)試驗數(shù)據(jù)樣本,通過優(yōu)化軟件,擬合出編碼后的旁通壓降和最小流通面積的二次多項式回歸模型,即:

Y1=3.47-3.26A+0.87B-0.17C+0.83D-0.2AB-

0.12AC-1.29AD-0.096BC-0.053BD-

0.57CD+1.67A2-0.45B2-0.54C2+0.52D2

(1)

Y2=29.36+33.74A-0.038B+0.073C+6.32D+

0.004 83AB+0.068AC+2.33AD-

0.065BC-0.004 83BD+0.28CD+

8.82A2+0.12B2+0.09C2+0.34D2

(2)

式中:Y1—旁通壓降;Y2—最小流通面積;A—管道直徑;B—入口縮角;C—出口擴(kuò)角;D—閥芯流道轉(zhuǎn)角。

根據(jù)回歸模型,筆者利用優(yōu)化設(shè)計軟件繪制出各因素交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面,如圖2所示。

圖2 各因素交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面

由圖2可知:對旁通壓降有顯著影響的因素為管道直徑、入口縮角和閥芯流道轉(zhuǎn)角,出口擴(kuò)角對其影響略小;對最小流通面積有顯著影響的因素為管道直徑和閥芯流道轉(zhuǎn)角(沒有影響或影響較小的因素未在圖中列出);

由圖2還可知:在管道直徑增大的過程中,入口縮角越大,壓降越大;出口擴(kuò)角越小,壓降越大;流道轉(zhuǎn)角越大,壓降越大;流道轉(zhuǎn)角越大,最小流通面積越大。

1.2.3 最優(yōu)參數(shù)選擇

流道最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇原則是:(1)壓降最小;(2)最小流通面積在合適范圍內(nèi)。因此,筆者以旁通壓降1.5 kPa、最小流通面積范圍60 mm2～80 mm2為條件,通過模型求解,得出了其最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:

管道直徑A為11.93 mm,入口縮角B為0.05°,出口擴(kuò)角C為5.94°,閥芯流道轉(zhuǎn)角D為90.06°。

優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流場仿真分析

2.1 物理模型

為分析優(yōu)化前后電子水閥的壓力損失情況和流場流動特性變化規(guī)律,筆者對不同閥門開度下的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模分析。為減小回流的影響,此處將進(jìn)口管道設(shè)置為管徑的5倍,出口管道設(shè)置為10倍。

閥門開度為45°時的流體域模型如圖4所示。

圖4 流體域模型

2.2 網(wǎng)格模型

網(wǎng)格劃分的目的是使模型實(shí)現(xiàn)離散化,把求解域分解成適當(dāng)數(shù)量,可得到精確解的單元。節(jié)流口處壓力和速度梯度變化較大,需對其進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,以提高其仿真分析的精度。

筆者通過ANSYS Workbench的模塊Mesh對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分后的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 流體域局部網(wǎng)格模型

圖5中,劃分后的網(wǎng)格經(jīng)過質(zhì)量檢查,網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.85左右,網(wǎng)格平均偏斜度為0.2左右,符合Fluent的求解要求。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在數(shù)值模擬計算過程中,由于網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量直接決定了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,在網(wǎng)格質(zhì)量已經(jīng)滿足計算要求的前提下,需要對網(wǎng)格數(shù)量n進(jìn)行無關(guān)性驗證。

筆者以10 L/min時,直通出口的質(zhì)量流量q(kg/s)作為驗證目標(biāo),進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

驗證結(jié)果如表3所示。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

表3中,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到6.3×105以上時,直通出口的質(zhì)量流量基本達(dá)到穩(wěn)定。因此,本次研究選擇的網(wǎng)格數(shù)量為6.5×105左右。

2.4 求解器設(shè)置

在Fluent求解器中,模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,壁面函數(shù)選擇Standard Wall Function,流體介質(zhì)為50%的水-乙二醇混合溶液,密度ρ為1 071.11 kg/m3,動力黏度μ為0.003 39 kg/(m·s-1);

邊界條件選擇速度入口和壓力出口,設(shè)置出口壓力等于大氣壓力,速度與壓力耦合的求解方法選擇SIMPLEC算法。

速度與流量之間的關(guān)系如下:

(3)

式中:v—平均流速,m/s;Q—流體進(jìn)口流量,m3/s;d—管口內(nèi)徑,m。

2.5 優(yōu)化前后壓降仿真分析

此處筆者對優(yōu)化前后的直通和旁通閥門分別進(jìn)行壓力場的仿真分析。

在流量為10 L/min時,直通閥門優(yōu)化前后對稱面壓力云圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后直通壓力云圖

在流量為10 L/min時,旁通閥門優(yōu)化前后對稱面壓力云圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后旁通壓力云圖

由圖6和圖7的仿真云圖可以看出:優(yōu)化前的高壓區(qū)出現(xiàn)在入口管道和閥芯處,當(dāng)溶液流過閥芯轉(zhuǎn)角后,其壓力迅速降低。

壓力損失的原因有:(1)入口管道為漸縮結(jié)構(gòu),不僅增加了流體與管壁的接觸面積,導(dǎo)致流阻增大,而且還會使流速增大;(2)閥芯與出口管道連接處為突擴(kuò)結(jié)構(gòu),當(dāng)流體流過時會發(fā)生分離,再加上流速過大,流體與管道產(chǎn)生激烈碰撞,導(dǎo)致壓力損失嚴(yán)重。

由上述仿真云圖還可以看出:(1)經(jīng)過優(yōu)化后,直通全開時的最大壓力由2.5 kPa減小至1.1 kPa,最小壓力由-2.3 kPa增加至-0.32 kPa;(2)旁通全開時的最大壓力由5.8 kPa減小至2.5 kPa,最小壓力由-2.8 kPa增加至-1.3 kPa;(3)閥內(nèi)壓力梯度分布更加均勻,壓力損失情況得到明顯改善。

經(jīng)過計算可知,在優(yōu)化后,直通和旁通閥門全開時的壓降較優(yōu)化前分別降低了63%和54.3%。

2.6 優(yōu)化前后水閥內(nèi)部流動特性分析

2.6.1 分流特性分析

為探究電子水閥優(yōu)化前后的分流特性,筆者選擇旁通分流比作為研究對象。旁通分流比隨閥門開度變化曲線如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后旁通分流比隨閥門開度變化曲線

從圖8中可以看出:優(yōu)化前后的旁通分流比均隨閥門開度的增大而減小,且與閥門開度之間為非線性關(guān)系。經(jīng)過優(yōu)化后,電子水閥的有效分流角度由15°～65°擴(kuò)大至15°～75°,旁通分流比隨閥門開度變化曲線相較于優(yōu)化前更加平緩,不同閥門開度下的流量分配更加均勻。

2.6.2 壓力場分析

為分析優(yōu)化前后電子水閥的流場壓力變化規(guī)律,本文選取10 L/min時25°、45°、65°開度下的壓力場進(jìn)行分析。

優(yōu)化前后,不同閥門開度下最大壓力的變化曲線如圖9所示。

圖9 優(yōu)化前后最大壓力隨閥門開度變化曲線

由圖9可知:經(jīng)過優(yōu)化,不同閥門開度下的最大壓力得到明顯降低,壓力梯度分布更加均勻;且低壓區(qū)域減小,降低了閥內(nèi)空化發(fā)生的可能性。

優(yōu)化前后,不同閥門開度下對稱面壓力云圖如圖10所示。

圖10 優(yōu)化前后不同閥門開度下壓力仿真云圖

從圖10的壓力仿真云圖中可以看出:優(yōu)化前后,流道內(nèi)整體的壓力分布趨勢相似,進(jìn)口管道和閥芯內(nèi)為高壓區(qū),當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流口時壓力迅速降低,并在靠近節(jié)流口的出口管道一側(cè)形成負(fù)壓區(qū);然后,在出口管道下游,壓力又逐漸升高。

出現(xiàn)這種趨勢的原因在于:隨著閥門開度增加,節(jié)流口處流通面積先減小后增大,在45°時流通面積最小,所以高壓區(qū)出現(xiàn)在進(jìn)口管道和閥芯內(nèi)。高壓區(qū)的產(chǎn)生會導(dǎo)致節(jié)流口處流速較大,流體流經(jīng)節(jié)流口時發(fā)生流動分離,導(dǎo)致壓力迅速降低,使此處易發(fā)生空化現(xiàn)象[14-17];隨后,流速趨于平緩,壓力逐漸恢復(fù)。

2.6.3 速度場分析

為分析優(yōu)化前后電子水閥流場速度變化規(guī)律,本文選取10 L/min時25°、45°、65°開度下的速度場進(jìn)行分析。

優(yōu)化前后,不同閥門開度下最大速度變化曲線如圖11所示。

圖11 優(yōu)化前后最大速度隨閥門開度變化曲線

優(yōu)化前后,不同閥門開度下對稱面速度云圖如圖12所示。

圖12 優(yōu)化前后不同閥門開度下速度仿真云圖

由圖11可知:當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流口時,由于流通面積減小,會在節(jié)流口處形成高速流,且最大流速隨閥門開度的增加,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在45°時流速最大。流速過高不僅會導(dǎo)致流體在節(jié)流口處分離嚴(yán)重,還會使流體在高速流附近形成渦流。

渦流的產(chǎn)生,一方面增加了流體的流動阻力,導(dǎo)致局部壓力損失過大;另一方面,也是產(chǎn)生噪聲、振動的重要原因[18，19],對產(chǎn)品的使用性能有嚴(yán)重影響。

經(jīng)過優(yōu)化后,不同閥門開度下的最大流速明顯減小,最大流速變化曲線也趨于平緩,并一定程度上降低了噪聲和振動對電子水閥性能的影響。

3 試驗驗證

3.1 試驗方法

為驗證優(yōu)化后電子水閥的壓降,筆者對電子水閥進(jìn)行壓降測試試驗。試驗方法為在電子水閥進(jìn)出口外接管兩端安裝壓差傳感器(精度1 Pa),通過一定工況冷卻液流量,記錄壓差數(shù)據(jù)a;同時,筆者選取與電子水閥進(jìn)出口兩端相同長度的外接管,安裝壓差傳感器,通入相同工況的冷卻液流量,記錄壓差數(shù)據(jù)b(電子水閥測試壓降a減去兩端多余外接管路壓降b,即為其實(shí)際的壓降)。

壓降試驗原理圖如圖13所示。

圖13 壓降試驗原理圖

壓降測試試驗臺的實(shí)物圖如圖14所示。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果,筆者繪制了直通和旁通閥門優(yōu)化前后不同工況下的壓降變化曲線。其中,不同工況下直通優(yōu)化前后壓降變化曲線如圖15所示。

圖15 不同工況下直通優(yōu)化前后壓降變化曲線

不同工況下旁通優(yōu)化前后壓降變化曲線如圖16所示。

圖16 不同工況下旁通優(yōu)化前后壓降變化曲線

通過以上的壓降變化曲線圖可以直觀地看出:相比于優(yōu)化前的結(jié)果,優(yōu)化后的壓降測試結(jié)果有了明顯減小;經(jīng)過計算,直通和旁通測試壓降較優(yōu)化前最大可分別降低57.5%和49.9%。

由于仿真模型為理想模型,不考慮間隙泄漏和制造工藝精度等影響因素,優(yōu)化值與試驗值存在一定誤差,仿真值與試驗值的最大相對誤差在15%以內(nèi),符合設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)對影響電子水閥壓力損失的結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行分析,筆者利用Design-Expert軟件設(shè)計了流道結(jié)構(gòu)的多因素正交試驗,采用數(shù)值模擬的方法對水閥優(yōu)化前后的壓降和流場流動特性進(jìn)行了仿真分析,最后通過水閥壓降測試試驗對上述仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。

研究結(jié)論如下:

(1)經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,電子水閥的壓力損失情況有了明顯改善;經(jīng)過仿真分析結(jié)果顯示,直通和旁通全開時的壓降最大可分別降低63%和54.3%;經(jīng)過試驗測試,直通和旁通全開時的壓降最大可分別降低57.5%和49.9%,試驗值與仿真值的相對誤差在15%以內(nèi),驗證了仿真結(jié)果的正確性;

(2)通過對旁通分流比特性曲線分析可知,旁通分流比與閥門開度之間為非線性關(guān)系;經(jīng)過優(yōu)化后,電子水閥的有效分流角度由15°～65°擴(kuò)大至15°～75°,旁通分流比隨閥門開度變化曲線更加平緩,不同閥門開度下的流量分配更加均勻;

(3)通過對優(yōu)化前后不同閥門開度下的流場流動特性分析可知,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體的流動特性有重要影響,直接決定著電子水閥的使用性能;經(jīng)過優(yōu)化后,電子水閥內(nèi)壓力分布和流速變化情況得到了顯著改善,使用性能得到了大幅提升。

在后續(xù)的研究中,筆者將主要開展研究工作:(1)電子多通閥的設(shè)計與研究,即將現(xiàn)有熱管理系統(tǒng)中使用的多個電子水閥合為一體,集中調(diào)節(jié)各管路冷卻液流量;(2)實(shí)現(xiàn)電子水閥、電子水泵和水壺等結(jié)構(gòu)的模塊化,以降低系統(tǒng)復(fù)雜度,提高其熱管理效率。