节流阀小开度下流场仿真和最小稳定流量研究

Sim u lation R esearch on F low F ield Characteristics at Small Open in g of Throttle V alve and R elation to M in i m al Steady F low R ate
YANG Guo la, i YANG Changan , LI U Zhigang, MA Y ichun ( School of F lu id Pow er & Contro,l Lanzhou University o f T echnology , Lanzhou Gansu 730050 , Ch in a)
1 2 几何模型和网格图
1 数学模型 1 1 控制方程 流体不可压缩, 其质量守恒方程: u v w + + = 0 x y z
( 1)
图 1为三角槽节流阀口的结构简图, 由于节流口
收稿日期: 2008- 09- 08 作者简介: 杨国 来 ( 1963 ), 男, 辽 宁 省 沈 阳 市 人, 副 教 授, 主 要 从 事 液 压 传 动 和 控 制 的 研 发 和 教 学 工 作。 电 话: 13919273624, E - m a i:l h56@ j 163 co m。
4
(2/ ) p
2
( 5) ( 6) p, 有 ( 7)
2
tan
当流量 q 不变时, 改变开度 x 和压差 p1 / p2
可见, 流量不 变, 开度 变动显 著影 响压差 变动。 开度减小 1倍, 压 差增 大 16 倍; 开度 增大 1 倍, 压 差减小到 0 06 倍, 开 度增大 有利 于减小 阻塞, 压差 过大会产生负压和气穴, 因此, 增大开度减小压差比 减小开度增大压差, 流量更稳定。 2 2 3 负压对流量稳定影响 当 X = 2mm, 压 差 为 0 5M Pa, 流场出 现负压, 在 图 6和 7 上, 可 以看 到节 流 口流速和 流场 出口边 界流 速 迅速跃 升, 出口 边界 出现 速 度较高 流和 低速流, 同时 负 图 6 负压时出口边界速 压导致 气穴, 也 会影 响流 量 度图 ( x = 2mm, 稳定。 压差为 0 5M P a)
图 4 压力分布曲线
2 2 速度图分析 2 2 1 小流量对流量稳定的影响 由图 5和表 1 可见, 不产生负压时, 流场 出口边 界流速 很小, 如 在 x = 2mm, 压 期
杨国来 等 : 节流阀小开度下流场仿真和最小稳定流量研究
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量不稳定, 甚至断流。压差增大, 涡旋强度和数目增 大, 甚至产生负压, 影响流量稳定。 ( 3 ) 要得 到稳 定的 小流 量, 需 要设 计合 适 的开 度和压差, 开度不能太小, 压差不能太大, 以预防杂 质阻塞、涡旋和负压对流量的影响。增大开度减小压 差比减小开度增大压差更能保持小流量稳定。 ( 4 ) 设计 小 流 量节 流 阀 流 道和 节 流 口结 构 时, 要注意预防节流口沉积阻塞。作者将节流孔上下布置 改为水平左右布置, 可以减小杂质在节流口沉积。
边 界 最 大 速 度 为 0 094 m /s 。速 度很 小的 原因 是 小开度下节流孔通流面 积 很 小, 阻 滞 了 流 体 流 动, 压 差能 转化 为涡 旋。 流速很小, 雷 诺数小于 2 300, 流场为层流状态。
图 5 流场速度曲线图 ( x = 2mm, 压差为 0 1 M Pa)
表 2 不同开度 压差下节流口进口最大流速 开度 /mm 0 1M Pa 0 04 2 4 1 6 m /s 0 2M Pa 0 3M P a 0 4M P a 0 5 M Pa 7 3 10 4 3 13 5 4 15 30
( 2 ) 由三角槽节流口压力流量公式和面积公式, 即 q = CdA ( x ) A (x ) = nx s in x 2 /x 1 =
图 7 负压时的流速图 ( x = 2mm, 压差为 0 5M Pa)
2 3 流线图分析 由图 8中可见, 阀腔中有涡旋, 涡旋产生的原因 是流体黏性和节流孔小开度阻滞了流体流动。随着压 差的增大, 流场中的涡旋数量和强度增加。涡旋数量 和强度的增加, 影响流量的稳定。
( 5 ) 节流口发生负压 时, 流场 速度会显 著提高, 这可以用来判断是否发生负压。 以上结论, 对认识节流阀小开度下流场特征, 最 小稳定流量研究和小流量液压元件设计有参考价值。
Abstrac t : F or ana ly sing w ha tm ake the m in i m a l steady flow rate o f throttle vav le , the flow fie ld at different sma ll open ing and pressure drop of the or ifice w as si m u lated by FLU ENT, the rea lation o f flow field cha racte ristic and m in i m a l steady flo w rate was studied. T he resu lts show that the flo w fie ld character istics greatly influence the m in i m a l steady flo w rate , sm a ll flow rate easily produces pulse by patic les b lo ck o rifice , the opening and pressure drop influence the flu id speed, vo rtex and cav ita tion in orifice , influence the stabiliza tion o f flo w rate . In order to ge t a suitable m ini m a l steady flow rate and reduce block ing or ifice , it needs to des ign su itab le open ing , pressure drop and p ipeline . K eyword s : O rifice ; T hro ttle valve ; F low field ; M in i m al steady flow ra te ; CFD
节流阀是液压系统常用阀, 用来控制液压缸或马 达运动速度, 节流阀性能对液压系统调速性能有很大 影响。特别在小开度下, 节流阀不易准确调节, 调节 线性不好, 影响液压系统的性能。节流阀最小稳定流 量是节流阀能正常工作的最小流量, 现在对其研究很 少, 普遍认 为是 节 流口 小开 度下, 孔 口通 流 面积 很 小, 油液中的杂质或极化分子等堵塞节流口所致, 没 有从理论上分析小开度下流量不稳定的原因。作者用 FLUENT 软件对三角槽节流阀小开度下 的流场进 行建 模仿真, 得出小开度下的流场特征, 并分析流场特征 和最小稳定流量之间的联系, 以便进一步提高节流阀 等液压元件性能。 用 FLUENT 软件仿真可以排除油液中杂质对小开 度下流场的影响, 直观地观察流场内部流动情况, 为 液压元件的设计提供有用的帮助。
1 3 计算条件 ( 1 ) 当节流阀 开 度很 小 时, 流 速很 慢, 雷诺 数 Re = vD / < 2 300, 流场状态为层流, 采用 Lam inar状 态方程进行计算。 3 ( 2) 液 压 油 的 密 度 为 863kg /m , 动 力 黏 度 为 0 05kg / ( s m ), 液压油假设为不可压缩。 1 4 边界条件 入口边界条件为压力边界入口, 进口总压分别取 0 1M Pa , 0 2M Pa , 0 3M Pa , 0 4M Pa , 0 5M Pa ; 出口 为压力出口边界, 出口压力为 0, 整个流 场工作 压力 为标准大气压 (约为 0 1M P a , 即 101 325Pa)。 2 仿真结果与分析 2 1 压力图分析 由 图 4 压力图 可以 看 出, 阀 进 口腔 各 处压 力 基 本等 于进口 压力, 出 口腔 各处 压 力基 本等 于出 口 压 力 , 原因是 小 开 度 下, 阀 腔 内 部 多 数 区 域 流 速 很 小 , 类似 停 滞 , 使节 流 口两 侧 流场 具 有 静 压 传 递 特征 。当压差 过大 , 节流 口 出现 负压 , 负 压 会导 致气穴 现象, 破坏 流动 连续 性, 所以 节流 阀 压 差 不宜过大 。
2 2 2 开度对流量稳定的影响 ( 1 ) 从表 2可见, 减小开度, 节流口流速增大可以 减少杂质沉积在节流口, 但小开度节流口容易被大直径 的杂质颗粒阻塞, 而且同样的沉积量, 和较大开度下通 流面积相比, 小开度小流量通流面积的相对减小量会更 大, 因此, 增大开度加大通流面积, 比减小开度减小通 流面积, 更能减小杂质沉积对流量稳定的影响。
2009 年 9 月 第 37 卷 第 9 期
机床与液压
MACH I NE TOOL & HYDRAULICS
Sep 2009 V ol 37 N o 9
DO I : 10. 3969 / j issn 1001 - 3881 2009 09 037
节流阀小开度下流场仿真和最小稳定流量研究
杨国来, 杨长安, 刘志刚, 马一春
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机床与液压
第 37 卷
的对称分布, 为研 究方便, 这 里只 研究一 个节 流口。 图 2所示为 CFD 几何 模型, 模型 尺寸为 进出 口腔 长 15mm, 宽 12mm, 阀 芯 三角 槽 口角 度 为 8 , 底边 长 为 5mm, 图中 x 为阀口开度, 分别取 2mm, 0 04mm。 图 3所示为网格图。
动量守恒方程 ( N-S 方程 ) : ( u) + d iv ( uv ) = d iv ( gradu ) t ( v) + d iv ( vv ) = d iv( gradv ) t p x p y ( 2) ( 3)