锥形阀口滑阀的特性研究及流场数值模拟.pdf

2 0 1 0年 1 1月 第 3 8卷 第2 1期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS NO V ．2 01 0 Vo I ． 3 8 No ． 2 l DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 1 ． 0 1 5 锥形 阀 口滑 阀的特性研究及流场数值模拟 闻德生，李永安 ，张月忠，孙江波，杜利斌 燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要研究锥形滑阀的过流面积特性 ，并从微观的流场控制角度出发，采用流场仿真软件 F L U E N T对该形滑阀的流场 特性如压力场、速度场、涡旋分布等进行可视化研究 ，并分析滑阀阀芯开度对流场分布的影响以及流场分布对滑阀液动力 的影响。此研究将有助于在更深层次上认识该型滑阀流量特性以及流场分布规律，并对滑阀设计起到一定的指导作用。 关键词锥形阀口；过流面积特性；流场；数值模拟 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 1 0 4 9 3 ． Nu me r i c a l Si mu l a fio n o f Fl o w Fi e l d a nd Re s e a r c h o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Co ni c a l S po o l Va l v e WEN De s h e n g，L I Yo n g a n，Z HAN G Yu e z h o n g ，S U N J i a n g b o ，DU L i b i n Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o He b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e fl o w a r e a c h a r a c t e ris t i c s o f c o n i c a l s p o o l v alv e w a s s t u d i e d a n d d i s c u s s e d ． F r o m t h e p o i n t o f mi c r o c o s mi c fl o w fi e l d c o n t r o l ，v i s u ali z a t i o n r e s e a r c h e s o n t h e fl o w fi e l d c h a r a c t e ris t i c s o f t h i s k i n d o f s po o l v a l v e ，s u c h a s p r e s s u r e fi l e d，v e l o c i t y fi e l d a n d v o r t e x d i s t ri b u t i o n w e r e ma d e b y F L U ENT ．T h e i n fl u e n c e o f v a l v e c o r e o p e n i n g o f t h i s s p o o l v alv e o n fl o w f i e l d a n d t h e i n f l u e n c e o f f l o w fi e l d o n fl o w f o r c e w e r e a n aly z e d ．T h i s r e s e a r c h ma y c o n t ri b u t e t o a d e e p e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e fl o w c h ara c t e ris t i c s a n d t h e fl o w fi e l d d i s t rib u t i o n o f t h i s s p o o l v a l v e a n d p l a y a r o l e i n i t s d e s i g n ． Ke y wo r d s C o n i c a l s p o o l v a l v e ；F l o w a r e a c h a r a c t e ri s t i c s ；F l o w fi e l d；N u me ric a l s i mu l a t i o n 滑阀是最常见 的液压 阀阀芯结构 。滑 阀阀口型式 多样 ，常见 的有沉 割槽式全周开 口形式 、圆形 、方形 等，个别场合也用阶梯形、三角形、曲线形等异形阀 口 。阀 1 I 的形状直接决定 了其过流面积特性和阀腔 内液体的流动特性。滑阀锥形阀口 如图 1 因具有 流量增益 曲线平缓 ，在一定范围 内线性度好 ，可减小 滑阀换向液压冲击、振动等特点而在工程阀领域得到 广泛应用 。这种滑阀因兼有 滑阀和锥 阀的特点 ，不能 直接应用 以往对 于普 通 滑 阀和锥 阀的研究 结 论。然 而 ，阀 口形式及 阀腔结构直接影 响流体流场在 阀腔 内 图 1 锥形阀口滑阀的模型简图 分布规律 ，从而影 响液压 阀内的能量损失 、气 穴噪声 以及液压 阀的控制性能等 。 。基 于以上原 因，作者 应用先进 的 C F D软 件 F L U E N T对 锥形 阀 口滑 阀的过 流面积特性、流量特性以及流场分布情况做了深人的 研究，这将有助于对该型滑阀流量特性以及流场分布 规律有一个更深层次的认识，并对滑阀设计起到一定 的理论指导 作用 。 1 锥形开口滑阀阀口过流面积特性解析 据文献 [ 1 ] ，结合图2 ，可知锥形阀口的过流面 积 A in ／3 1 一 s in 2 f1 1 图2 锥阀的模型简图 收稿 日期 2 0 0 91 0 2 6 作者简介闻德生 1 9 5 4 一 ，男，教授，主要从事液压元件的创新设计及新型液压元件的开发、液压技术新领域应用方面 的教学和科研工作。电话1 5 9 0 3 3 9 6 0 9 1 ，E ma i l l y a 1 9 8 4 6 1 0 1 2 6 ． c o rn。 5 0 机床与液压 第 3 8卷 同时又指 出 d时 A 7 r d x s i n B 可见 ，锥 阀 的 过 流 面 积与 阀芯 位 移是 在 一 定 条 件 d 下才呈线性 关 系。但 “ d ”这个条件 是 比较模 糊 的。为 了 能更 直 观 、深 入 地 认识 锥 形 阀 口的 过 流 面积 特 性 ，根 据 1 l 宣l 旧 捌 2 阀芯 开度／ ram 图 3 过流面积特性 曲线 式 1 ，作者应用 M a t l a b软 件绘 制过 流 面积 与阀芯 位移的函数曲线如图3示。其中，a 6 m m，d b 2 0 m m， 分别给出了 r ／ 1 0 、-r r ／ 1 5 、 r ／ 2 0时的过流 面积 曲线。 可见，阀芯直径与阀芯位移在一定范围内取值 时 ，滑阀锥形 阀 口的过流面积具有 良好 的线性度 ，且 锥角 越小 ，其线性度越好 。 2 锥形阀口滑阀流场数学模型的建立 2 ． 1 流体力学控制方程 假设流体是不可压缩的，忽略重力的影响，列出 流体在阀腔内的三维流动控制方程。 流量连续性方程 0 f 3 x ， a z N a v i e r S t o k e s N S 方程为 一 古 V u “ 警 一 1 p a 02 y V2 u ， ～ OUy u 警 4 一 古 V 2ILn - U x O U ． 等 警 式中 P为流体密度 ，U 、U 、 分别为流体速度沿 、Y 、Z 轴方向的投影， P为流体压力，12 为流体运动 黏度 。 三维不可压缩流体动量方程 一 一亚 差 耋 ㈥ O x O x ‘ 眠 式中 P为压力值， 为坐标轴 ，i 1 、2 、3 ， 1 、 2 、3分别表示 、Y 、 3 个空间坐标 ， 为有效黏性 系数， i ； 为分子黏性系数， i 为紊流涡 旋黏性系数 。 2 ． 2后 ． 紊 流模 型 在标准 的 k 一 8两方程湍 流模 型中假定 长度尺 寸 是扩散 的，且 湍流扩 散尺度 是各 向相 同 的，k 、8的 值可以直接从湍流能量和湍流耗散率的运输微分方程 中得到 。 O t V p U k 一 V rSk P 一P 8 6 V p u s 一 V r ye } c p 一 c p s O l 7 式中 、 为耗散系数 ， t z_ 2 _ ； ； C 、 C 、 、 d r 为紊流模型常数 ，并选 取 C ． 1 ． 4 4 ， C r 21 ． 9 2 ， 1 ． 0 ， 1 ． 3 。式 3 一 6 组成一个封闭的非线性偏 微分控 制方程组 ⋯。 3 C F D计算模型与网格划分及边界条件的设定 3 ． 1 计算区域的选取与网格划分 考虑 到阀 口结构 的 对称性 ，作者取其结构 的一半 ，进 行数 值 计 算，以提高计算机运算 效率。根据图 1 所示的 锥形滑 阀结构及 尺寸， 取 b2 0 mm，／ 37 r ／ 1 0 时 ，其 下半部 分二 维结 构模型为计算 区域并进 图4 计算区域模型的网格 划分 4 ． 5 mm 行网格划分 ，如 图 4 。由于 阀 口处压力 、速 度等物理 量变 化剧 烈 ，采 用较 细 网格 ，其 他 区域 采用 较粗 网 格 ，这样既有利于提高求解精度又可以提高计算机的 运算效率 。同时 ，阀芯颈部 的圆弧被忽略 。 3 ． 2 计算参数 、边界条件及计算方法设定 仿真过程中选用4 0 液压油，对流体状态做如下 假设 流体为不可 压缩 ，密度 P 8 7 0 k g ／ m ，动力 黏 度 0 ． 0 2 6 1 N s ／ m ，流体与壁面接触的边界为静 止壁面 。 人 口边界取速度人 口 V E L O C I ， I T Y _ I N L E T ，入 口 速度设为 9 r r d s ；出口边界为压力出 口 P R E S S U R E O U T ，出口压力设为标准大气压 ，1 ． 0 1 3 2 5 1 0 P a 。 由于 阀芯在 开启 过程 中 ，阀 口处 的 油液 流动 状 态主要呈紊流状态 ，故计算时采用 k 一 紊流模型。 数值计算方法采用有限体积法中目前工程实际中应 用 最 为 广 泛 的 一 种 流 场 计 算 方 法s I MP L E c S e m i i m p l i c i t M e t h o d f o r P r e s s u r e l i n k e d E q u a t i o n ， 分别对阀口开度为 1 ． 5 、3 、4 ． 5 、6 m m 4种情况进 行仿真 。 4 流场数值计算结果及分析 阀芯在不同开度时，锥形阀口滑阀流场的速度、 流线 、压力分布 图如 图 5 示。 第 2 1 期 闻德生 等锥形阀口滑阀的特性研究及流场数值模拟 5 1 a 速度云图 b 流 线图 f c 压力 等值 曲线 图5 阀芯开度 1 ． 5 m m时， 流场主要物理量分布 a 速 度 云图 b 流 线 图 c 压 力等值 曲线 图7 阀芯开度 4 ． 5 mm时， 流场主要物理量分布 对 比图 5 a 、6 a 、7 a 、8 a 可知 油 液在 阀 口处 的射流角与锥角角度基本相 等 ，几乎和 阀 口开度无关，这是由于锥角有一定的导流作用；油液 最大流速 出现 在 阀 口处 ，且 随 阀 芯开度 的增大 而减 a 速度 云 图 c 压力 等值 曲线 图 6 阀芯开度 3 mm时， 流场主要物理量分布 a 速度云图 b 流 线 图 c 压 力等 值 曲线 图 8 阀芯开度 6 mm时， 流场主要物理量分布 小。对 比图 5 b 、6 b 、7 b 、8 b 可 以看 出 在不 同开度下 ，阀腔 内均有涡旋产生 ；且 随着 阀 V I 开度的增大，涡旋的位置逐渐由远处向阀口迁移。 下转第 5 5页 第 2 1 期 刘刚田 等基于模糊支持向量机的产品造型特征研究 5 5 3结论 作者在消费者喜好的基础上提出了建立 O V O F S V M分类模型的产品造型设计方法。通过使用高斯核 函数 ，分配连续和离散属性 ，每个产品样 本被分配一 类标记和模 糊隶 属 度 ，用来 标 记相 应 的语义 差别 评 分 。O V O F S V M模型利用收集 的产 品样本和最佳 的训 练参数设置的模型 ，确定两 步交叉验证 的方法 。这一 方法大大提高了支持向量机的预测模 型泛化的能力， 从而提高了支持向量 机的应用范 围。 参考文献 【 1 】K a u l A ， R a o V R ． R e s e a r c h f o r p r o d u c t p o s i t i o n i n g a n d d e s i g n d e c i s i o n s[ J ] ．I n t e rna t i o n al J o u r n a l o f R e s e a r c h i n Ma r k e t i n g ， 1 9 9 5 ， 1 2 2 2 9 3 3 2 0 ． 【 2 】 S h i m i z u Y， J i n d o T ． A f u z z y l o g i c a n a l y s i s m e t h o d fo r e v a l u a t i n g h u m a n s e n s i t i v i t i e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n al J o u rnal o f I n d u s t r i al E r g o n o mi c s ， 1 9 9 5 ， 1 5 2 3 9 4 7 ． 【 3 】H a n S H ， K i m K J ， Y u n M H， e t a1 ． I d e n t i f y i n g m o b i l e p h o n e d e s i g n f e a t u r e s c r i t i c al t o u s e r s a t i s f a c t i o n [ J ] ． H u ma n F a c t o r s a n d Er g o n o mi cs i n Ma n u f a c t u rin g， 2 0 04，1 4 1 1 5 2 9 ． 【 4 】 J i n d o T ， H i r a s a g o K ， N a g a m a c h i M． D e v e l o p m e n t o f a d e s i gn s up p o s y s t e m f o r o f fic e c h a i rs u s i n g 3 - D g r a p hi c s [ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u rnal o f I n d u s t r i al E r g o n o m i c s ， 1 9 9 5 ， 1 5 6 4 9 6 2 ． 【 5 】H s u S H， C h u ang M C， C h a n g C C ． A s e m a n t i c d i f f e r e n t i al s t u d y o f d e s i g n e r s a n d u s e rs p r o d u c t f o r m p e r c e p t i o n [ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u rna l o f I n d u s t r i al Er g o n o mi c s ， 2 0 0 0， 2 5 3 3 7 5 3 9 1 ． 【 6 】P a r k J ， H a n S H ． A f u z z y r u l e b a s e d a p p r o a c h t o m o d e l i n g a f f e c t i v e u s e r s a t i s f a c t i o n t o w a r d s o f fi c e c h a i r d e s i g n [ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u rna l o f I n d u s t r i al E r g o n o mi c s ， 2 0 0 4，3 4 7 3 1 4 7 ． 【 7 】B u r g e s C ． A t u t o ri al o n s u p p o a v e c t o r m a c h i n e s f o r p a t t e rn r e c o g n i t i o n [ J ] ． D a t a M i n i n g a n d K n o w l e d g e D i s c o v e r y ， 1 9 9 8 ， 2 2 9 5 5 9 7 4 ． 【 8 】S c h o l k o p f B ， G u y o n I ， We t s o n J ． S t a t i s t i c al l e a r n i n g a n d k e rne l m e t h o d s i n b i o i n f o r m a t i c s [ M] ． T h e A ms t e r d a m I OS Pr e s s， 2 00 3． 【 9 】H u a n g H P ， Hu Y H ． F u z z y s u p p o v e c t o r m a c h i n e s fo r p a t t e rn r e c o gni t i o n a n d d a t a m i n i n g [ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u r - n a l o f F u z z y S y s t e ms ， 2 0 0 2 ， 4 3 8 2 6 8 3 5 ． 【 l 0 】D u a n K B ，K e e r t h i S S ． Wh i c h i s t h e b e s t m u l t i c l a s s S V M m e t h o d A n e m p i r i c al s t u d y [ J ] ． Mu l t i p l e C l a s s i fi e r S y s t e m s ， 2 0 0 5 ， 8 3 2 7 8 2 8 5 ． 【 1 1 】杜抬， 刘三阳， 齐小刚． 一种新隶属度函数的模糊支持 向量机[ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 9， 2 1 7 1 9 0 1 1 9 0 3 ． 【 1 2 】 戴宏亮 ， 戴道清． 基于智能全间隔自适应模糊支持向量 机的水质分类[ J ] ． 计算机应用， 2 0 0 8 ， 2 8 1 1 2 8 4 7 2 8 4 9， 2 8 7 0 ． 上接第 5 1页 对比图 5 e 、6 C 、7 C 、8 e 可知 阀 口处 压力 、速度梯度变化剧烈；由于节流作用，阀口处后 方压 降最 明显 ，且易 出现负压 ，这可能造成气穴的发 生 ，而使阀芯阀口遭到气蚀损坏；其次，阀腔内阀口 后方在轴向压力分布表现为压力值从远离阀口的位 置到阀口处逐渐减小 ，这是由于在远离阀口处 ，射流 扩散、流速降低而压强升高。正是由于轴向压力分布 的不均匀造成 了轴 向稳态液动力 的产生 。 5结论 1 滑阀阀芯直径和最大开度在一定范围取值 时，滑阀锥形阀口可以获得具有很好线性度的过流面 积特性曲线。这为锥形开口滑阀在比例阀或对流量特 性曲线线性度要求较高场合的应用提供理论依据。 2 油液在 阀 口处 的射流 角与 阀 口锥 角 基 本 相等，且几乎不受阀口开度影响。 3 各种开度下，阀 口后方 出油腔均存在涡旋， 且随着阀口开度的增大 ，涡旋向阀口处迁移。涡旋的 产生将造成 能量损失与流体噪声 。 4 阀口后方压降明显，易出现负压，这可能 造成气蚀现象的发生而损坏阀口、阀芯；且由于随射 流的扩散 ，在出油 腔从离 阀 口较 近处 向远处 ，压力逐 渐升高。阀腔内压力分布的不均衡 ，将对滑阀液动力 产生影 响。 参考文献 【 1 】 何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 1 ． 【 2 】 高殿荣． 液压控制锥阀内流场的数值模拟与试验可视化 研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 4 6 6 7 0 ． 【 3 】R A m i r a n t e ， C z D e l V e s c o v o ， A ． L i p p o l i s ． F l o w f o r c e s a n al y s i s o f a n o p e n c e n t e r h y d r a u l i c d i r e c t i o n c o n t r o l v a l v e s l i d i n g s p o o l [ J ] ． E n e r g y C o n v e mi o n＆Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 6 ， 4 7 1 1 1 41 3 1 ． 【 4 】 郜立焕 ， 杨毅 ， 等． 大型车辆刹车盘叶型的设计 [ J ] ． 兰 州理工大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 3 6 5 4 5 7 ． 【 5 】冀宏， 傅新 ， 杨华勇． 内流道形状对溢流阀气穴噪声影响 的研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 ， 3 8 8 l 92 2 ． 【 6 】闻德生． 液压元件的创新与发展[ M] ． 北京 航空工业出 版社 ， 2 0 0 9 ． 【 7 】盛敬超． 液压流体力学 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 0 ． 【 8 】曹秉刚， 史维祥， 中野和夫． 内流式锥阀液动力及阀芯锥 面压强 分布 的实 验研究 [ J ] ． 西安 交通大学 学报 ， 1 9 9 5 ， 2 9 7 71 2 ．