二維閥先導級污染顆粒分布的數值模擬

趙永華，阮健，張嘉波

(1.浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州 310014；2.嘉興職業技術學院智能制造學院，浙江嘉興 314036)

0 前言

由于高壓、高性能、微型集成化等發展方向的需要，在實際應用中，對液壓系統清潔度的要求越來越苛刻。據統計，75%的液壓系統故障是由油液污染引起的，其中固體污染物的危害最大，占故障總污染物的60%～70%[1]。作為控制液壓系統流量、方向、壓力的液壓閥，對固體污染物最敏感，其可靠性直接影響到液壓系統的穩定性、安全性和可靠性[2]。

基于液壓閥卡緊、磨損以及出現故障的原因，很多研究者通過仿真和實驗的方法，分析了液壓閥內固體污染物的分布規律，并從結構上采取措施加以改善。趙春玲等[3-5]利用Fluent軟件中的歐拉多相流模型對液壓滑閥內流場進行了固液兩相流數值模擬，分析了均壓槽及液壓滑閥配合間隙內的顆粒分布規律。范家輝等[6]針對某型裝甲車輛綜合傳動定壓滑閥在污染環境下配合間隙泄漏問題，對不同配合間隙下液壓滑閥的流場進行數值仿真，獲得了該流場特性與泄漏量變化的規律。李森林等[7]基于Fluent DPM多相流模型，探討了油液流動方向、進口流速、顆粒物(等效)直徑、顆粒物形狀因子對液壓節流錐閥的沖蝕破壞影響。 張海平[8]通過介紹雅各布教授的實驗研究成果，分析了應對油液污染提高液壓元件抗磨損能力的途徑。

與傳統滑閥相比，轉閥具有工作頻率高、對油污染不敏感、故障率低等優點[9]。國外對液壓轉閥的研究較早，在結構上進行了大量的創新和設計，如轉板式液壓轉閥、轉塞式液壓轉閥、轉齒式液壓轉閥、轉軸式液壓轉閥。國內對液壓轉閥的研究，也相繼出現了2D 數字電液換向閥、回轉直動式電液伺服閥[10-11]。

二維(2D)閥是將先導級和功率級集成在一個閥芯的2個運動自由度上，易于實現閥的快速工作和高頻響應，具有體積小、結構簡單、性能穩定、動態特性理想、泄漏流量小以及功率質量比大等優點[12-16]。本文作者以二維閥先導級為研究對象，利用Fluent軟件，采用歐拉多相流模型，通過計算揭示固體顆粒在閥內的分布規律，為二維閥抗污染能力提供數據參考。

1 二維閥的工作原理

二維閥的工作原理如圖1所示。閥的先導級處高低壓槽與斜槽形成的兩重疊面積起到節流口的作用，組成一個半橋回路，通過閥芯的旋轉運動驅動閥芯直線運動。為保證閥芯具有位置反饋，高壓節流口和低壓節流口側邊的切線與閥芯軸線方向呈一定傾角，當閥芯運動時，油液從節流口流出后會形成空間射流角，產生的液動力相對閥芯軸線方向有軸向、徑向和周向分力。先導級閥口處的流體流動直接影響閥芯的運動特性。

圖1 二維閥的工作原理

圖2 二維開關閥模型(a)及其流體模型(b)

2 仿真前處理

2.1 計算模型

利用UG三維建模軟件，建立三通徑二維開關閥三維模型，如圖 2(a)所示。反向建模生成流道模型，二維閥先導級閥口通道結構具有雙流道中心對稱的特點，如圖 2(b)所示。流體從入口流入，經過渡流道至節流口，然后流入閥套上的斜槽至圖1中的敏感腔。進口流道直徑為2 mm，過渡流道直徑為1.2 mm，出口處的面積約為4.5 mm2。此研究選取一半的流體模型作為分析對象。

使用Mesh軟件進行網格劃分，如圖3所示，采用四面體網格，對滑移面和節流口進行局部加密處理，使計算結果更加精確。得到網格數量為223 568。

圖3 二維閥流道網格

2.2 計算條件

利用Fluent的歐拉-歐拉模型，固液兩相之間曳力函數選擇Syamlal-O’Brien模型，比較適合計算液壓閥中具有局部顆粒聚集的現象[4，17]。混合物的連續性方程為

(1)

混合物的動量方程為

(2)

材料設置為：油液密度889 kg/m3，動力黏度0.035 56 kg/(m·s)，假設固體顆粒為理想球體，顆粒大小通過在分相中設置直徑大小來確定，固體顆粒的密度在2 000～7 200 kg/m3之間取值。邊界條件的設定：邊界條件為壓力進口、壓力出口，進口壓力為10 MPa，出口壓力為0.1 MPa，進口設置固體顆粒的體積分數為0.05，出口設置回流固相體積分數為0。各項收斂殘差取10-6。

流場計算中，選用標準κ-ε湍流模型，無滑移邊界條件，相流模型使用兩相流模型，速度與壓力耦合采用SIMPLE算法；采用滑移網格模型，瞬態計算流體在閥內的流動。

3 固體顆粒物在流場的分布

對二維閥先導級流場內固體顆粒物的分布選擇2個研究面：面1為模型出口的流體面，面2為通過過渡流道軸線并垂直于進口流道軸線的流體面(z=2.362 897 071 mm)。

圖4是閥口開度為0.015 mm、固體顆粒粒徑3 μm、顆粒的密度7 200 kg/m3時，二維閥先導級流場特性云圖。

圖4 流場特性云圖

由圖4(a)可以看出：固體顆粒在研究面上幾個旋渦的中心區域分布較少，在旋渦邊緣區域體積分數較高，這是由于固體顆粒的密度比油液密度大，在旋渦的離心力作用下固體顆粒被甩到了旋渦的邊緣。對比分析面1和分析面2，分析面2的節流口射流效應導致固體顆粒在射流方向發生改變的轉角處聚集性更高，而分析面1上的固體顆粒沿著旋渦邊緣分布較為均勻。

圖4(b)(c)是與圖4(a)中分析面2相對應的壓力云圖和速度流線。如圖4(b)壓力云圖所示，節流口上下游的壓力分別為10.16、0 MPa，壓差作用下，射流效應使得固體顆粒在閥套斜槽區的侵入明顯。從圖4(c)可以看到：在節流口處，由于流動通道尺寸突然變小，從節流口流出的流束在閥套斜槽區中間形成了旋渦，最大速度出現在斜槽內側，為53.56 m/s，此處的高速流束將侵入的固體顆粒沖至兩側拐角處，形成顆粒濃度較高的聚集區，旋渦的作用又將一側的顆粒甩到斜槽外側邊緣。

4 影響顆粒分布的因素

為了定量地分析二維閥先導級流場內顆粒的分布情況，取分析面1為研究對象，沿著Y方向的不同位置顯示固相顆粒體積隨著各因素的變化曲線。

4.1 閥口開度大小

圖5所示為二維閥先導級流場分析面1上在節流口開度為0.005、0.01、0.02、0.03、0.04 mm時，與固相體積分數的關系。如圖所示，沿著Y軸正向，3.0～3.6 mm為斜槽內側，3.6～4.2 mm為斜槽中間區域，4.2～4.7 mm為斜槽外側。可以看出：小開度時固相分布均勻，隨著節流口開度的增大，斜槽內外側的固相體積分數均在增大，出現顆粒聚集；從閥口開度為0.01 mm的曲線可以看出，固相體積分數的增加始于斜槽的外側。在大開度條件下，斜槽兩側和中間區域的固相體積分數分化顯著，隨著節流口開度的增大，斜槽外側的體積分數增大遲緩，且保持在高位，斜槽內側的體積分數增大明顯，而中間區域幾乎無固相顆粒存在。總體來看，隨著節流口開度的增大，閥套斜槽內的固相顆粒聚集在斜槽邊緣，這與因閥芯節流口開度的增大造成的閥口流束的射流效應和閥套斜槽區域的旋渦變化有關。在二維閥工作條件下，隨著節流口開度的增大，閥口射流速度增大，固體顆粒很大一部分被主流束帶向節流口下游的斜槽區，在旋渦作用下甩向斜槽邊緣。

圖5 固相體積分數隨閥口開度的變化

4.2 固相顆粒的密度

圖6所示為二維閥先導級流場分析面1上在固相顆粒密度為2 000、4 000、6 000、7 200 kg/m3時，與固相體積分數的關系。可以看出：固相顆粒密度為2 000 kg/m3時，斜槽區內外側的固相顆粒聚集顯著，斜槽中間區域基本沒有顆粒存在；另外3類顆粒密度時，斜槽內的固相顆粒體積分數均高于0.05，固相顆粒密度為4 000 kg/m3時，體積分數分布較為均勻，其余兩類顆粒密度時斜槽外側比內側的顆粒聚集濃度大，斜槽外側與中間區域開始出現較大的分布差。究其原因，是由于顆粒密度小時，固相的存在沒有影響到液體主流束的流動，顆粒被旋流沖至流道邊緣；隨著顆粒密度的增大，固相顆粒與液流混合均勻，密度大到一定程度，顆粒自身的慣性逐漸增大，在旋渦的離心力作用下，被甩至斜槽邊緣的顆粒增多，表明密度大的固體顆粒更易進入節流口下游的閥套斜槽區，聚集度增大。

圖6 固相體積分數隨固相顆粒密度的變化

4.3 固相顆粒的粒徑

圖7所示為二維閥先導級流場分析面1上在固相顆粒粒徑為1、3、5、8 μm時，與固相體積分數的關系。可以看出：固相顆粒粒徑為1 μm時，除中間區域的局部位置無顆粒，斜槽區其余位置的固相顆粒分布較為均勻；另外3種粒徑條件下，斜槽內的固相顆粒體積分數均高于0.05，且斜槽外側比內側的顆粒聚集濃度大。這一分布規律的原因在于計算條件中已經假設了顆粒為理想球體，故隨著粒徑的增大，同樣的顆粒數目和顆粒密度下，其所占據的空間體積就越大，顆粒質量及其慣性越大，在旋渦離心力和壓差作用下就越容易進入節流口下游區域。

圖7 固相體積分數隨固相粒徑的變化

4.4 閥芯旋轉的方向

圖8所示為二維閥先導級流場分析面1上在閥芯旋轉方向為正向(節流口開度逐漸增加)和反向(節流口開度逐漸減小)時，與固相體積分數的關系。如前述工作原理，二維閥工作時，控制器控制閥芯正轉、反轉，以實現閥芯的左右移動。如圖8所示，相同參數條件下，閥芯正、反轉時，閥套斜槽區內固相顆粒的體積分數分布情況極其相似，均為斜槽側緣顆粒聚集度很高，斜槽中間區域幾乎沒有顆粒存在，呈旋渦態流束的典型分布。

圖8 固相體積分數隨閥芯轉向的變化

5 結論

文中基于Fluent模擬計算了二維閥先導級內的流場，揭示了固體顆粒在閥內的分布規律，得出以下結論：

(1)固體顆粒在射流形成的旋渦離心力和節流口上下游壓差的共同作用下進入閥套斜槽區，產生聚集現象；固體顆粒在旋渦中心區域分布較少，在旋渦邊緣區域，特別是閥套斜槽外側濃度較高。

(2)隨著節流口開度的增大，閥套斜槽內固相顆粒的體積分數差增大，斜槽周邊濃度大，中間區域濃度極低；固相密度小時，射流束主導顆粒的分布(斜槽周緣顆粒濃度極高，中間區域濃度極低)，固相密度逐漸增大時，旋渦態流束主導顆粒的分布，固相顆粒在斜槽外側聚集顯著；隨著顆粒粒徑的增大，斜槽外側的固相體積分數逐漸增大。

(3)閥芯正、反轉時，閥套斜槽區內固相顆粒的體積分數分布情況極其相似，呈旋渦態流束的典型分布。