液控單向閥瞬態開啟過程流固耦合特性研究*

謝小路 何東升 張林鋒 李川 王波 代輝

(西南石油大學機電工程學院)

0 引 言

液壓解碼器是ICV的核心液控系統，而液控單向閥作為液壓解碼器的核心元件，其動態響應和可靠性直接影響整個系統的工作性能。

液控單向閥在工作過程中由于流場不穩定導致的振動、噪聲等問題屬于流固耦合范疇，國內外文獻使用CFD和試驗的方法建立了常規單向閥的分析模型，對其穩定性和非線性運動特性進了研究，但針對液控單向閥的研究較少。

文獻[1-2]采用Fluent建立了氣液單向球閥的CFD模型，分析了閥芯材質、彈簧剛度、含氣體積分數和入口流量等對單向球閥瞬態開啟穩定性的影響。文獻[3]采用動網格方法分析了彈簧剛度對錐閥的瞬態液動力性能的影響。文獻[4-5]則基于Fluent動網格技術建立了容積泵內單向閥流固耦合數值模型，使用用戶自定義函數(UDF)控制閥芯的位移，研究了單向閥在開啟過程中的瞬態響應，獲得了與試驗相近的損耗系數，還對比了時間步長、湍流模型及求解模型等仿真參數對數值結果的影響，指出使用隱式求解方案優于顯示方案。文獻[6]采用CFD技術研究了截止閥開啟與關閉過程中閥體內部的速度、壓力分布以及壓力損失等情況，分析了流體通過閥道時產生的漩渦、水錘和死水區等水流情況，指出閥的開啟和閉合會導致壓力大幅度波動。文獻[7]基于CFD軟件和試驗研究了飛機燃油系統用某單向閥開啟過程，指出閥芯的最大開度位置與彈簧剛度、閥芯形狀和內部流道有著密切關系。文獻[8]利用Fluent軟件的6DOF模塊建立了插裝閥開啟過程中的非定常流場模型，數值模擬計算出的閥芯位移、控制腔壓力和穩態液動力與理論公式計算值相符，指出與常規方法相比，CFD方法的結果與閥芯實際運動更加接近。文獻[9]通過設計試驗研究了錐閥的振動和噪聲現象，指出瞬態液動力導致了錐閥的規律周期振動現象。文獻[10-11]則基于三維流固耦合有限元動力學仿真分析和直接耦合算法，建立了一種車用錐形節流閥由關閉至開啟而后又關閉全過程的數值分析模型，研究結果表明，影響閥芯振動頻率較為顯著的因素是閥芯質量和油液體積模量，閥芯和閥座之間的接觸碰撞會提高其振動頻率。

以上基于Fluent動網格的方式實現流固耦合分析的文獻，其使用的UDF程序無法實現對閥芯的振動分析。而本文采用Fluent 6DOF模型和網格重構理論，考慮了閥芯至極限位置后的振動情況，編譯了一套新的UDF，建立了單向閥受到微型液缸推桿推力作用下的瞬態開啟過程的非穩態強耦合動力學響應分析模型。

1 結構模型及工作原理

1.1 結構模型

解碼器實物三維透視圖如圖1所示。解碼器內部集成了多個微型液控單向閥(以下簡稱單向閥)組件。壓力損失小和響應迅速是實現地面遠程控制命令的基本保證之一，因此有必要對單向閥瞬態開啟過程進行深入分析。

單向閥結構如圖2所示。

1.2 工作原理

單向閥的工作原理為：在初始狀態下，常閉單向閥受到進出口壓差的影響，單向閥內的小球堵住了內部流道，液壓油無法聯通，當連通微型液缸的液壓油先推動其內部活塞向左運動，活塞推桿運動到和單向閥內部閥芯小球接觸，由于活塞對小球的推力Fp大于流體對小球的阻力Fv與彈簧彈力Fs之和，此時小球在活塞推力作用下逐漸開啟，閥芯運動方向與流體流動方向相反，閥芯的運動受到活塞推力和液壓油壓力的共同影響。

2 數值模型

為研究閥芯受力運動情況，采用瞬態方法進行計算，對流體區域采用有限體積法，采用Fluent動網格技術并編譯一套新的UDF程序來實現開啟瞬態過程的數值計算。

2.1 控制方程

數值計算選用了Fluent軟件中的RNGk-ε湍流模型，使用基于壓力-速度耦合的Simple算法，動量方程中的雷諾應力張量使用渦黏度模型[4-5,12]：

(1)

(2)

式中：k為湍流動能，ui為速度分量，μ為運動黏度，ε為耗散率。

使用具有標準壁面函數(standard wall function)的RNGk-ε湍流模型，此方程引入了對湍動黏性系數的修正方程，在模擬流動分離、強旋流和彎曲壁面流動等問題時更接近實際流動狀態。湍流動能k以及其耗散率ε來自以下傳輸方程[12-13]：

(3)

(4)

(5)

2.2 網格參數

本文采用Fluent Meshing進行網格劃分。為了降低計算時間成本和動網格參數的需要，將計算域分成3個混合域(見圖3)，各域之間用Interface連接，且只在“中”部非結構域內部進行網格更新，其網格類型為四面體，“上”和“下”兩個域采用多面體-六面體(Poly-Hexcore)網格。整個模型共535 433個節點(nodes)和1 258 055個單元(elements)。網格質量在0.38以上，滿足Fluent求解計算要求。

圖3 單向閥網格模型

2.3 使用Fluent UDF控制閥芯運動

在活塞推動閥芯運動之前，閥芯受到的預緊力FOFF由液壓油對其的液動力Fv和彈簧預緊力F0共同組成。閥芯的運動由合力決定，其受力簡圖如圖4所示。圖4中Fp為閥芯推桿推力，Fs為彈簧力。

圖4 閥芯運動受力簡圖

由牛頓第二定律推導出如下二階常微分方程，用于模擬閥芯的運動[14-15]。

(6)

對式(6)左側進行簡化，可以得到運動部件(閥芯)的加速度表達式[16]：

(7)

(8)

引入閥芯的位移yt為自變量，彈簧力的表達式為：

(9)

式(9)中K是彈簧的彈性系數，于是可以得到新的離散方程[17]：

(10)

由于ANSYS Fluent無法直接讀取執行等式(9)，所以需要使用UDF編譯模塊對等式進行程序化處理。式中的參數有閥芯質量為0.006 08 kg，彈簧彈性系數K為2 600 N/m，彈簧預緊力F0為5.2 N，Fp取769 N，時間增量步為0.000 01 s。

2.4 動網格(Dynamics Mesh)更新技術

本文使用彈簧近似光順(spring-based smoothing)和局部網格重劃法(local remeshing)，結合兩種方法相互作用生成動態網格。使用編譯UDF程序控制閥芯時，由于計算域隨著閥芯瞬態位置的變化而變化，為避免出現負體積網格，需要在下一次迭代計算前對網格做更新處理。

2.5 邊界條件設置

使用Fluent進行數值計算，閥內流體為32#液壓油，密度為850 kg/m3，運動黏度為0.001 18 Pa·s，入口和出口邊界分別設定為壓力入口和壓力出口，進口壓力5 MPa，流速0.5 m/s，出口壓力為4.5 MPa，為了增強動量的收斂性，將動量欠松弛因子設為0.4[16]，其他參數設定為默認標準。

3 結果分析

3.1 流體-結構相互作用對閥芯運動特性的影響

使用UDF程序提取并記錄流體對閥芯的合作用力，流體作用力直接影響閥芯的運動，是造成閥工作不穩定的重要因素之一。

圖5為閥芯受到的瞬態液動力Ff隨時間的變化規律。由圖5可知：在閥芯移動前，流體作用力維持在30.6 N左右，和推力Fp大小無關；閥芯移動瞬間，Ff有小幅增加的趨勢，并在開啟過程中基本保持不變；當閥芯位移至最大時受微型液缸推力影響，閥芯運動速度為0，此時閥芯周圍流場極不穩定，瞬態液動力Ff瞬間激增[17]，后又穩定在30.6 N左右不再波動。

圖5 瞬態液動力變化曲線

圖6為閥芯運動速度隨時間的變化規律。由圖6可知，閥開啟后，在Ff、Fs和Fp的共同作用下，速度呈線性增加，受Fp影響，閥芯至最大位移時，速度為0。

圖6 閥芯速度變化曲線

圖7顯示了閥芯位移隨時間的變化規律。由圖7可知，在閥開啟的瞬間，閥芯受到壓差、液動力和彈簧預緊力的共同作用，隨著活塞推力Fp繼續推動閥芯，閥芯加速運動至位移最大值后停止運動，并在1 ms內達到了最大開度，閥芯受液壓推力信號后能夠迅速響應，保證了解碼器的動態響應。

圖7 閥芯位移變化曲線

3.2 壓力場

圖8為活塞推力作用下單向閥瞬態開啟過程的部分靜壓云圖。由圖8可知，在開啟初始，閥芯前后端流場壓力變化顯著，在開啟過程中，此處閥芯承受著較大壓力，閥芯頂部(球形部分)在整個過程中都承受一定的背壓，故閥芯小球上半部壓力較大。當閥達到最大開度后，對于閥芯周圍流場，最大靜壓在出口區域。

圖8 活塞推力作用下單向閥瞬態開啟過程的部分靜壓力云圖

3.3 速度場

圖9為瞬態開啟過程中各特征時刻的速度分布云圖。由圖9可知：同一時刻內，閥芯頂部與閥腔喉部區域具有最高流速，而閥的頂部和底部流速相對較小；開啟過程中的最大流速區域如圖9a所示，此時的喉部油液最大流速高達10.4 m/s，當閥芯完全開啟后，流速降低至2.7 m/s左右。

圖9 瞬態開啟過程中各特征時刻的速度分布云圖

圖10為單向閥流線及閥芯表面壓力云圖。由圖10可知，閥芯表面受力不均，背壓集中在小球頂部，在入口后方區域與閥芯底部形成渦流，閥芯上下部分環空橫截面積突然改變導致流體流向改變，在此處形成了一對流向相反的渦流區，有較大能量損失。

圖10 閥芯壓力分布和速度矢量圖

4 結 論

本文基于CFD有限元軟件Fluent建立了一種應用于智能完井井下解碼器內部精細的微型液控單向閥三維數值模型，編譯了一套新的UDF程序來控制閥芯在開啟過程中的運動特性，利用動網格更新技術，實現了單向閥由關閉狀態至完全開啟的高速通流過程的動力學響應，取得良好的預測結果，并得到如下結論。

(1)基于Fluent 6DOF理論和新的UDF程序，提出了一種研究液控單向閥流固耦合分析的數值模型，新開發的UDF支持Fluent并行計算，大大提高了數值計算的效率。同時驗證了使用微型液缸-單向閥系統作為解碼器基本控制單元的可行性與可靠性。

(2)Fluent軟件中的動網格技術和非穩態求解器可以很好地解決閥門開啟過程中內部流道強湍流問題，可以準確地模擬出液壓油在不同時刻的流動狀態。

(3)使用新的研究方法將活塞動態推力Fp簡化成一個大小固定的力來分析該單向閥的開啟過程的動力學響應，Fp的大小直接影響閥芯能夠獲得的最大速度值，但對終態流場影響較小。

(4)單向閥在開啟時閥的底部和頂部區域流體運動最為劇烈，閥內流體最高流速為10.4 m/s，而閥芯的運動速度達22.9 m/s，能夠迅速實現動作響應，但要避免單向閥入口壓力過高而出現劇烈的壓力波動情況，應正確使用單向閥，以發揮其最佳性能并延長使用壽命。