液压助力转向管路的局部阻力系数计算分析.pdf

测 试 试 验 汽车实用技术 A UT O MO B I LE AP PL I E D T EC HN 0 L0 G Y 2 0l 5 年 第4 期 2O1 5 N0．4 液压助力转向管路的局部阻力系数计算分析 葛士显，高龙 安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 2 3 0 6 0 1 摘 要 本文利用 C F D软件 分析了低 雷诺 数 R e 2 0 0 0 下不 同突扩 比、同折弯半径不同折弯角度 两种状态 下的多 个 管路 的流场 ， 提取 了各个管路 的压力损失信息 ， 然后利用压力损失公式对各个管路 的局部阻力系数进 行了计算 对 比分析 。结果显 示该局部 阻力系数 的计算结果可应用于后期 的转 向管路设计中 ，为管路设计提供指导。 关键词 CF D低雷诺数；局部阻力系数 ；突扩比；管路 中图分类号 U 4 6 3 ． 4 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 5 0 4 8 1 0 3 Th e An a l ys i s o f Hy dr a ul i c po we r s t e e r i n g pi pe ’ S l o c a l r e s i s t a n c e c o e ffi c i e nt Ge Sh i x i a n， Ga o Lo n g An h u i J i a n g h u a i Au t o mo b i l e Co ． L t d ． ， An h u i He f e i 2 3 0 6 0 1 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , t h e C F D s o f t w a r e i s u s e d t o a n a l y z e the l o w R e y n o l d s n u mb e r R e 2 0 0 0 o f a p l u r a l i t y o f p i p e l i n e flo w fie l d u n d e r d i ffe r e n t e x p a n s i o n r a t i o s a n d d i ffe r e nt b e n d i n g a n g l e s ， e x t r a c t the p r e s s u r e l o s s i n f o r ma t i o n o f d i ffe r e n t p i p e l i n e ， a n d the n c a l c u l a t e the l o c a l r e s i s t a n c e c o e ffi c i e n t o f e a c h p i p e l i n e b y u s i n g the p r e s s u r e l o s s f o rm u l a ． T h e r e s u l t s s h o we d the c a l c u l a t i o n o f the c o e f f c i e nt o f l o c a l r e s i s t a n c e r e s u l t s c a n b e a p pl i e d t o t h e l a t e r p i p e l i n e d e s i g n ， p r o v i d e g u i d a n c e f o r the d e s i gn o f p i p e l i n e ． Ke y wo r d s CF D；l o w Re y no l ds n u mb e r ； l o c a l r e s i s t a n c e c o e ffi c i e n t ； s u d d e n e x p a n s i o n r a tio ；p i p e l i n e C LC NO． U4 6 3 ． 4 D o c u me n t Co d e A A r ti c l e I D 1 6 7 1 - 7 9 8 8 2 0 1 5 0 4 8 1 0 3 引言 管路广泛应用于工、农业生产中，被用来运输气体、液 体、气液混合物、气固混合物等[ 1 】 ， 管路一般均较长，管路沿 线包括各种阀类、各种折弯等，必然带来一定的压力损失， 所以在管路设计之初，需要考虑管路走向及管路匹配对压力 损 失的影响。 管路 的压力损失I ] 主要包括 沿程 压力损失和局部压力损 失两部分，沿程压力损失是指流体通过直管段所产生的压力 损失；局部压力损失是指流体通过各种管路突变处由于流速 的大小和方向发生剧烈变化而导致的压力损失。管路的压力 损 失计算关键在 于沿程 阻力系数和局部 阻力系数 的确 定。对 于沿程阻力系数，前人通过大量的实验测量分析，总结并形 作者简介 葛士显，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司 主要 从事底 盘系统设计 。 成 了比较完善的理论 。而对于局部阻力系数 ，前 人也进行 了 大量的研究 ， 但是由于局部阻力实验 的局 限性 、 不完整性等 ， 从而导致各种局部阻力的试验数据与工程实际存在一定的误 差。且对于局部阻力系数，多数学者均是研究的高雷诺数下 的局部阻力系数，对低雷诺数下的局部阻力系数很少详细研 究 。 对于液压助力转向管路系统，由于其系统流量较低，决 定了其系统的流体流动状态为层流，即 R e 2 3 0 0 ，为低雷诺 数流动状态 。液压助力转 向管路系统包括硬管和软管 ，且走 向需要根据整车布置而定，管路粗细变化及折弯处较多，因 此 ，在转 向管路匹配设计时 ，需要考虑这些因素对转 向管路 压力损失的影响。 本文利用 C F D软件在低雷诺数情况下， 分析 了不 同突扩 比、 同折弯半径不同折弯角度两种状态下的多个管路的流场， 提取 了各个管路 的压力损失 ，然后利用压力损失公式对各个 管路 的局部压力损失系数进行 了计算分析 ， 得 出了相关规律 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 4期 葛士显 等液压助力转向管路的局部阻力系数计算分析 8 2 为后续的转 向管路匹配设计提供参考。 1 、模 型建立 1 ． 1物理模 型 管路水平放置，管路内部介质 以一定的速度在管路中流 动，流动介质为 A T F 3自动变速箱油，其性能曲线如图 1所 示。由图 1可以看出，在 0度之前，A T F 3的运动粘度随着 温度的升高而急剧下降，0度之后，变化比较平缓。 1 F 啦 ■特性 曲蛙 。 、 ～～ 图 1 AT F 3粘温特性 曲线 突扩管模型示意图如图2所示。图中，突扩界面前的管 路 直 径 为 D1 ， 突 扩 界 面 后 的管 路 直 径 为 D2，突 扩 比 E D2 ／ D1 【 】 ，取 D1 6 ram，E分别取值 为 1 ．2 ，1 ． 5 ，1 ． 8 ，2 ， 2 ． 5 ． 为 了保证管路进 口和 出 口的流动都是充分发展 的， 取突扩 界面前的管长为 L 1 ，突扩界面后的管长为 L 2 ，L I 2 0 * D1 ， L2 2 0． D2[ 5 1 。 图 2 突扩管示 意图 弯管示意图如图 3所示，D 6 ，a 1 2 0 mm，R 3 0 mm， 0分别取 3 0度、6 O度、9 0度、1 2 0度、1 5 0度。 P a一1 j } 图 3 弯管示意图 1 ． 2 数学模 型 采用层流模型和 S I MP L E算法进行计算，并对问题做 以 下假设 1 、流动过程 中粘性力起主 导作用 ，忽略惯性力 的影 响 ； 2 、流 动是充分发展 的。 1 ． 3边界条件 实际流动中，到达突扩截面处流动已达到充分发展段， 入口速度分布为抛物形，且出口截面远离回流区，由于选取 的计算区域足够长，在入口处采用速度入口边界条件进行计 算，入 口速度为均匀分布；出口边界为出流出口；边壁采用 固壁无滑移条件[ 5 】 ；采用 A T F 3自动变速箱油为流动介质。 1 ． 4压力损失及雷诺数 由于实际液体具有粘性，以及液体在流动时会遇到阻 力，为了克服阻力，液体会损失一部分能量，这种能量损失 称 为压力损 失。 压力损 失分为两类 沿程压力损失和局部压力损 失。 沿程压力 损失表达式为 △P 1 ／ d p v 2 式中卜 _ _ 管道长度；d 一管道直径；p一液体的密度；v 一 液体 的流速 ； 一 沿程阻力系数 。 当液体 为层流 时， 的理论值为 九6 4 ／ R e 。 局部压力损 失 △P 的计算公式为 △P l t p v 2 ／ 2 式中E一局部阻力系数；p一液体的密度； v 一液体的 流速 。 流体在管道 中的流 动状 态与流体粘度 v、流速 v及管径 有关，流体的层流和紊流两种状态可用雷诺数 R e来判定。 Red H v ／V 式中， d H 为通流截面的水力直径。 对于圆形管道， d H 等 于管道直径 。 模型计算及结果处理分析 2 ． 1模型校核验证 设计一直径为 6 mm，长度为 1 2 0 mm的直管，利用上文 中的数学模型和边界条件对其进行 C F D分析， 提取其压力损 失变化 ，通过压力损失计算其沿 程阻力系数，并与经验计算 值做对 比。对 比图如 图 4所示 。 沿程阻力系数对 比 0 5口 ] l ∞0 1 5 0 0 ∞O 0 ■ H t 图 4沿程 阻力 系数对 比图 由上图可以看出，利用上文中的数学模型和边界条件模 拟计算的沿程压力阻力系数趋势及数值与经验公式计算值基 9 7 O 5 ‘ ， 2 l 0 竹 ■ ■ 毋 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车实用技术 2 0 1 5年第 4期 本一致 ，说 明上文 中的数学模型和边界条件设置合理 ，可 以 用于后续局部阻力系数的模拟计算。 2 ．2不同突扩管的局部阻力系数计算分析 对突扩比E分别取值为 1 ． 2 ，1 ． 5 ，1 ． 8 ，2 ，2 ． 5五种模型 在流动介质温度分别为． 3 0 ℃、． 2 O ℃、一 1 O ℃、0 ℃、1 0 ℃、2 0 ℃、3 0 ℃、4 0 ℃、5 0 ℃、6 0 ℃、7 0 ℃、8 0 ℃的条件下进行压 力损失分析，通过计算，得到不同突扩比的管路在低雷诺数 下的局部 阻力系数对 比曲线 ，如 图 5所示 。 不 同 突 扩 比管 路 蔚 韶 阻 力 暴教 对 比 f i l m 图 5 不 同突扩 比管路局部 阻力 系数对 比 由图5 可以看出，随着雷诺数的增大，局部阻力系数呈 现减小趋势，特别是在 R e 1 0 0时，局部阻力系数随着雷诺 数 的增大而呈现急剧下 降趋势 。 为 了更清晰 的分析上 图，分别给 出 R e 1 0 0时不同突扩比管路局 部 阻力系数对 比图。分别如 图 6和 图 7所示 。 不同突扩 比管路局部阻力系数对比1 图 6 R e 1 0 0时，相同突扩比条件下， 局部阻力系数的整体趋势是随着雷诺数的增大而降低；相同 雷诺数条件下，局部阻力系数随着突扩比的增大而增大。 2 ． 3 不同折弯角度的弯管的局部 阻力系数计算分析 对折弯半径相等，折弯角度分别取 3 O 度、6 0度、9 O度、 1 2 0度、 1 5 0度时的弯管在流动介质温度分别为． 3 0 “ C、 ． 2 0 C、 一 l 0 ℃ 、0 ℃ 、 l O ℃ 、2 0℃、 3 0 ℃ 、4 0 ℃ 、5 0 ℃ 、6 0 ℃ 、7 0℃ 、 8 0 ℃的条件下进行压力损失分析，通过计算 ，得到不 同折弯 角度的管路在低雷诺数下的局部阻力系数对 比曲线，如图 8 所示。 不 同折 弯角 度 弯 管 局船 舶 力 幕 ＆对 比 图 8不同折弯角度的弯管局部阻力系数对比 由上图可以看出，在同等折弯角度条件下，局部阻力系 数变化的整体趋势是随着雷诺数的增大而减小；在同等雷诺 数条件 下，局部阻力系数变化的整体趋 势是随着 折弯角度的 增大而减小，这与实际相符，在实际情况中，折弯角度越大， 流体流动越 顺畅 。 对于同等折弯角度条件下的局部阻力系数 曲线 ，其趋势 均是先下降后小幅上升再下降 的趋势 ，该趋 势与文 献[ 5 ] 的分 析趋势完全相同。出现这种趋势的原因主要是因为在雷诺数 非常小时，粘性力对流体的流动起主导作用，随着雷诺数的 增大，流体流动的惯性力在逐渐增大，最终惯性力起主导作 用 ，粘性力对流动 的作用忽略不计 。 3 、总结 本文利用 C F D 分析软件并结合压力损失公式计算分析 了不 同突扩 比和不 同折弯角度 的管路 的局部 阻力系数 ，结果 显示，局部阻力系数与突扩比、雷诺数、折弯角度之间存在 一 定的规律。分析结果表明，该局部阻力系数的计算可应用 于后期的转向管路设计中，为管路设计提供指导。 参考文献 【 1 ]张蓓 ． f 氐雷诺数 圆管突扩流场 的数值模拟及 阻力特性 分析[ D] ． 哈 尔滨工业大学． 2 0 0 7 ． [ 2 】许福玲． 液压与气压传动[ M] ． 华 中科技大学 出版社． 2 0 0 1 ． [ 3 】王常斌， 陈皖- f 氐雷诺数下突扩管流得 C F D 数值计算[ J 】 ． 管道技术 与设备， 2 0 0 9 ， 0 4 1 3 - 1 5 ． 【 4 ]赵海燕 ， 贾雪松， 杨 士海等． 突扩 管分离流场 的数值 模拟 [ J ] ． 管道技 术与设备， 2 0 0 9 ， 1 7 8 1 3 ． [ 5 ]赵 月． 基于 C F D 的管道局部 阻力的数值模拟 [ D】 ． 东北石 油大学， 2 01 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m