阀口形状对纯水液压锥阀气穴流场的影响研究.pdf

2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 1 1期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S J u n ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 0 5 阀口形状对纯水液压锥阀气穴流场的影响研究 刘会 勇 ，赵青 1 ．贵州大学机械工程与 自 动化学院，贵 Jl 贵阳 5 5 0 0 0 3 ； 2 ．贵州 I 大学土木建筑工程学院，贵州贵阳 5 5 0 0 0 3 摘要根据纯水液压锥阀的结构特点，在 G A MB I T中建立不同阀口形状的纯水液压锥阀模型，并在 F L U E N T中分别进 行求解计算，研究不同的阀口形状对于纯水液压锥阀气穴流场的影响。研究结果对于纯水液压锥阀的气穴控制有一定的理 论和实用价值。 关键词 阀口形状 ；纯水液压锥阀；气穴；流场 中图分 类号 T H 3 2 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 1 0 2 0 4 I nflue nc e o f Va l v e Po r t Fo r m t o t he Fl o w Fi e l d Ca v i t a t i o n o f th e Hv d r a ul i c Po ppe t Va l v e L I U H u i y o n g ． z H A 0 Q i n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，Gu i z h o u Un i v e r s i t y，G u i y a n g Gu i z h o u 5 5 0 0 0 3，Ch i n a ； 2 ． C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ，G u i z h o u U n i v e r s i t y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c p o p p e t v a l v e ，t h e mo d e l s o f t h e h y d r a u l i c p o p p e t v alv e wi t h d i f - f e r e n t v a l v e p o r t f o r ms we r e e s t a b l i s h e d i n G AMB I T，a n d t h e c alc u l a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t i n F L UE NT ．T h e i n fl u e n c e s o f t h e d i f f e r e n t v a l v e p o r t s t o t h e f l o w fie l d c a v i t a t i o n o f t h e h y d r a u l i c p o p p e t v a l v e we r e s t u d i e d ．T h e r e s u l t s p r o v i d e s o me t h e o r e t i c al a n d p r a c t i c a l v a l u e f o r t h e c a v i t a t i o n c o n t r o l o f t h e h y d r a u l i c p o p p e t v a l v e ． Ke y wo r d s V a l v e p o rt for m；Hy d r a u l i c p o p p e t v a l v e ；C a v i t a t i o n；F l o w f i e l d 纯水液 压锥 阀具有密封性好 、动作可靠 、结构简 单 、响应快 、抗污染能力强等特点 ，E t 益得到广泛应 用 。由于纯水 的汽化压力 比矿物型液压 油高很 多 ，而 随着温度的升高，汽化压力升高得很快 ，纯水极易汽 化 和沸腾 ，产生气穴 。液压锥 阀在工作 时的流动通常 属于湍流，对于不同的阀口形状，所产生的气穴效果 也是不一样的。因此，研究阀口形状对纯水液压锥阀 气 穴流场的影响十分 必要 。 计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显 示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系 统所作的分析。利用数值计算 ，优化运动、流动和结 构 ，提高液压元件综合性能已成为流体传动及控制技 术 的发展方 向 。 作者根据 纯水 液压锥 阀 的结 构特点 ，基 于 G A M B I T建立了不同阀口形状的纯水液压锥阀模型，并在 F L U E N T中进行求解计算 ，研究了不同的阀 口形状对 于纯水液压锥阀气穴流场的影响。研究结果对于纯水 液压锥阀的气穴控制有一定的理论和实用价值。 则 从 下 阀 腔 流 入 、从 图 外流式锥阀结构简图 上阀腔流出。作者以外流式锥阀为分析对象，其结构 简图如图 1 所示。 其中 G H H K为 阀芯，进 口 A Q直径 为 1 0 m m， 出 口 E F和 L M 直径为 5 m m，阀腔直径 C O为 4 0 m m， 阀芯直径 为 2 0 m m，半锥角为 3 0 。 。 为了研究不同阀口形状对纯水液压锥阀气穴流场 的影响，作者分别将阀口形状设置为倒角和圆角两种 形式。不同倒角和圆角的阀口形状的纯水液压锥阀的 结构 简图如图 2所示 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 51 1 基金项目贵州省 自然科学基金 黔科合 J 字 [ 2 0 0 9 ]2 2 3 4号 ；贵州大学引进人才基金 贵大人基合字 2 0 0 8 0 3 9号 ； 贵州省重大专项基金 黔科合重大专项字 2 0 0 9 6 0 0 3号 作者简介 刘会勇 1 9 7 9 一 ，男，博士，副教授，研究方向为机电系统 的测量和控制。电话1 3 5 9 5 1 4 9 1 2 5 ，Em a i l hu i y o ng l i u s o hu ．c o rn。 第 1 1 期 刘会勇 等 阀口形状对纯水液压锥阀气穴流场的影响研究 2 1 Y Y Y Y Y a 1 4 5 。 Y Y Y Y Y f 置1 g R2 h R3 i R 4 0 嚣5 图2 不同阀口形状的锥阀几何模型 2 计算流体动力学软件简介 2． 1 GAMBI T G A M B I T是专用前处理软件包，用来为计算流体 动力学数值模拟生成网格模型，主要功能包括 3 个方 面建立几何模型、划分网格和指定边界。G A M B I T 本身提供了几何建模功能，只要模型不太复杂，一般 都可以直接在 G A M B I T中完成几何建模。在生成网格 之后 ，可在 G A MB I T中指定边界 ，为后续进行数值模 拟输入边界条件 。 2． 2 FL UENT F L U E N T是在复杂几何区域内用于模拟和分析流 体流动与热交换问题的专用计算流体动力学软件。其 提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格 和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于二 维 问题 ，可生成 三角形 和四边 形单元 网格 ；对于三维 问题 ，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥体 及杂交网格等。此外 ，还允许用户根据求解规模、精 度及效率等因素 ，对网格进行整体或局部的细化和粗 化。对于具有较大梯度的流动区域 ，其提供的网格 自 适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。 F L U E N T通过交互式菜单界面与用户进行交互， 用户可通过多窗口方式随时观察计算的进程和计算结 果。计算结果可以用等值线图、矢量图等多种方式显 示、存储和打印。此外 ，F L U E N T还提供了用户编程 接 口，让 用 户定 制 或 控 制相 关 的计 算 和输 入 输 出[ 一 。 3 计算条件 在 G A M B I T中选择求解器 F L U E N T 5 ／ 6 ，建立 了 不同阀口形状的纯水液压锥阀几何模型并划分网格， 边界条件分别指定进 口为速度进 口 V e l o c i t y i n l e t ， 出口为出流 O u t f l o w 。在 F L U E N T中导入模型网格 文件，检查网格并设置单位之后，分别定义解法、流 体属性、计算模型、边界条件等，如表 1 所示。 表 1 计算条件和内容 计算条件 内容 解法 多相流模型 黏性模型 进口速度／ m s 出口流量权重系数 非耦合隐式求解算法 混合模型 Mi x t u r e 标准 k s湍流模型 4 1 流体材料采用液态水和水蒸气，并将液态水设置 为基本相，而将水蒸气设置为第二相。流体材料属性 见 表 2 。 表 2流体 材料属性 4 仿真结果和分析 图3为不同阀口形状的纯水液压锥阀内部静压力 分布图。其中图 a 、 b 、 C 、 d 和 e 是阀口形状 为倒 角 的锥 阀内部静压力分 布图，图 f 、 g 、 h 、 i 和 j 是阀口形状为圆角的 锥阀内部静压力分布图。可以看出随着倒角距离和 圆角半径增大 ，阀腔以及阀芯与上端面相交处的压力 增大，锥阀进 口段和出口段的压力相应减小 ，阀腔和 进 口段之间的压差减小 ；对于图 a 、 b 、 C 、 d 和 e ，随着倒角距离增大 ，阀口处的低压区 2 2 机床与液压 第 3 9卷 发生在靠近进 口端的倒角顶点 ；对于图 f 、 g 、 h 、 i 和 j ，随着圆角半径增大 ，阀口处的低 压区沿着圆角半径分布 ，在圆弧中点达到最低。此 外 ，还可以看出对于相等的倒角距离和圆角半径， 阀口形状为圆角的锥阀阀腔压力高于阀口形状为倒角 的锥 阀阀腔压力。 Y Y Y Y a 1 4 5 b 2 4 5 。 Y Y Y Y f 露 l g R 2 h R3 i R 4 j R 5 图3 不同阀口形状的纯水液压锥阀内部静压力分布图 图 4为不 同阀 口形 状 的纯 水 液压 锥 阀 内部液 相 分布图。其中图 a 、 b 、 C 、 d 和 e 是阀 口形 状 为 倒 角 的 锥 阀 内部 液 相 分 布 图，图 f 、 g 、 h 、 i 和 J 是阀口形状为圆角的 锥阀内部液相分布 图。可以看出随着倒角距离和 圆角半 径增大 ，阀腔 以及 阀芯与 上 端面 相 交处 的液 相分布增大 ，锥阀进 口段和出 口段的液相分布相应 减小 ，阀腔和进 口段之间的液相分布差减小 ；对于 图 a 、 b 、 C 、 d 和 e ，随着倒 角距 离 增 大 ，阀 口处 的液相分 布最 低 发生 在 靠近 进 口端 的 倒 角顶 点 ；对 于图 f 、 g 、 h 、 i 和 J ， 随着圆角半径增大 ，阀口处的液相分布沿着圆角半 径分布 ，在 圆弧 中点达到 最低。此外 ，还可 以看 出对于相等的倒角距离和圆角半径 ，阀口形状为 圆角 的锥 阀阀腔液相分 布 高 于 阀 口形 状 为倒 角 的锥 阀阀腔 液相 分布 。 Y Y Y Y c 3 4 5 。 Y Y Y f Rl 图4 不同阀口形状的纯水液压锥阀内部液相分布图 图 5为不 同阀口形状的纯水液压锥阀内部气相 分布图。其中图 a 、 b 、 C 、 d 和 e 是阀口形 状 为 倒 角 的 锥 阀 内 部气 相 分 布 图，图 f 、 g 、 h 、 i 和 j 是 阀 口形 状为 圆角 的 锥 阀 内部 气相 分布 图。可 以看 出 随着 倒角 距 离 和 圆角半径 增大 ，阀腔 以及 阀芯与 上 端 面相交 处 的气 0 R5 相分布减小 ，锥阀进 口段和出 口段的气相分布相应 增大 ，阀腔和进 口段之间的气相分布差减小 ；对 于 图 a 、 b 、 C 、 d 和 e ，随着倒角距离 增大 ，阀口处的气相分布最高发生在靠近进 口端的 倒角顶点；对于图 f 、 g 、 h 、 i 和 i ， 随着圆角半径增大 ，阀 口处的气相分布是沿着圆角 第 1 1 期 刘会勇 等阀口形状对纯水液压锥阀气穴流场的影响研究 2 3 半径分布，在圆弧 中点达到最高。此外 ，还可以看 出对于相等的倒角距离和圆角半径 ， 阀口形状为 圆角的锥阀阀腔气相分布低于阀 口形状为倒角的锥 阀阀腔气相分布。 Y Y Y Y d 4 4 5 。 e 5 4 5 。 Y Y Y Y f RI g R 2 h 置 3 i R 4 j 且 s 图 5 不同阀口形状的纯水液压锥阀内部气相分布图 5 结束语 作者根据纯水液压锥阀阀口不同的倒角距离和圆 角半径，基于 G A MB I T建立了不同阀口形状的纯水液 压锥阀模型，并在 F L U E N T中进行求解计算，研究不 同的阀 口形状对于纯水液压锥 阀气穴流场 的影 响。可 以得 出以下结论 1 随着倒角距离和圆角半径增大，阀腔的压力 增大，阀腔和进口段之间的压差减小，锥阀内部发生 气蚀的可能性减小，出口段发生气蚀的可能性增大。 2 随着倒角距离增大，阀口处的低压区发生在 靠近进 口端的倒角顶点。随着圆角半径增大，阀口处 的低压区是沿着圆角半径分布，在圆弧中点达到最低。 3 对于相等的倒角距离和圆角半径，阀口形 状为圆角的锥阀阀腔压力高于阀口形状为倒角的锥阀 阀腔压力 ，即 阀口形状为 圆角 的锥 阀内部发生气蚀 的 可能性相对于阀口形状为倒角的锥阀内部发生气蚀的 可能性低 。 参考文献 【 1 】王瑞金， 张凯， 王刚． F l u e n t 技术基础及应用实例 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】 韩占忠， 王敬， 兰小平． F L U E N T 流体工程仿真计算机实 例与应用[ M] ． 北京 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