基于FLUENT的滑阀液动力研究及结构分析_郭津津

为通过圆柱滑阀阀口的流量。
姨 v2 = Cv
2 p
△p
（2）
其中 Cv 为速度系数，一般 Cv =0.95～0.98 ；△p
为流通过圆柱滑阀阀口的压力损失。
姨 q =CqWxCv
2 △p p
（3）
W 为滑阀开口周长，又称过流面积梯度，对于理
想滑阀 ，W = πd，x 为滑阀的开度、d 为阀芯直径。θ
参考文献：
[1] 冀宏，傅新，杨华勇 .非全周开口滑阀稳态 液 动 力 研究 [J].机械工程学报，2004.3 [2] 方文敏.带 U 形节流槽的滑阀稳态液动力研究 [J]. 浙江大学学报，2010.3 [3] 王林翔，章明川，方志宏 .阀内流道布置对 液 动 力 的影响[J].机床与液压，2000.6 [4] 张作状，李建楠，陈媛媛. 关于滑阀与锥阀中稳态 液动力方向的比较分析[J].液压与气动，2009.3 [5] R ．Amirante, G．Del Vescovo ,A．Lippolis． Evaluation of the flow forces on an open centre directional control valve by means of a computational fluid dynamic analysis [J]．Energy Conversion and Man agement,2006。
4 结束语
阀工作时液流作用在阀芯上的稳态液动力进 行了仿真研究。通过采用 U 型槽及三角型节 流槽对阀芯结构进行优化，对分析结果进行 比较分析得出：在同等条件下开 U 型槽的阀 芯比不开 U 型槽的阀芯，所受到的最大液动 力小；U 型槽的宽度和深度越大，所受到的最 大液动力越小；带有三角型节流槽的阀芯比 带有 U 型槽的阀芯所受到的最大液动力大。
图 11 阀芯开不同数量的 U 型槽时所受到的液动 力对比
后进口边界条件设定为：流量为 100 L/min ，此 后随着开口的增大进口压强是逐渐减小的。
通过 FLUENT 软件，可以计算出在开口 X=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm 时阀芯所受到的液动力，见图 8 所示。算出开口 在 X=0.35 mm 时阀芯所受到的液动力最大，并 由 FLUENT 软件仿真计算得出阀芯的受到的液
阀芯开 U 型槽模型见图 9 所示。本文利用 FLUENT 软件仿真分析了滑阀在 不同开口下 的流量并确定达到其额定流量时的开口大小， 再用 FLUENT 计算此时阀芯受到的最大液动 力，并分析了开 U 型槽后阀芯所受的液动力的 变化，如图 10 所示未开 U 型槽时阀芯受到的 最大的液动力为 105 N，开 U 型槽后阀芯受到 的液动力为 95 N。由此可以看出开 U 型槽可 以减小最大液动力。
（1） 首先使用三维建模软件 PRO/E 建立
52 工程机械文摘 2011.6
图 8 液动力随开口度变化曲线
图 9 开 U 型槽阀芯的三维图
图 12 阀芯开不同深度的 U 型槽时所 受到的液动力对比
动力为 Fs=105 N。
3 减少阀芯所受的最大液动力的结构 优化
图 10 阀芯开 U 型槽与不开 U 型槽所受的液动力对比
件 ICEM CFD 进行四面体网格的划分，图 5 所 示为流道网格模型，在划分模型时对节流口处 的流道进行了局部加密划分，而且对壁面添加 了边界层网格的处理。网格划分完成后，生成 MESH 文件。
（3） 将 MESH 文件导入 FLUENT12.0 进 行仿真求解。求解时设置的边界条件如下。
1） 恒压过程 进口边界条件为 Pressure-inlet （压力入口） P=20 MPa、出口边界条件为 Pressure-outlet（压 力出口）P=0.1 MPa。 2） 恒流过程 进口边界条件为 mass-flow-inlet （质量入 口）q=0.15 Kg/s（由 100 L/min 转化过来）、出口 的边界条件为 pressure-outlet（压力出口）P=0.1 MPa，使用层流模型（Laminar）。 通过计算求解，可以得到滑阀阀芯所受到 的稳态液动力。 2.2 最大稳态液动力的确定与计算 首 先 设 进 口 压 力 为 20 MPa， 依 次 利 用 FLUENT 仿真软件计算在不同开口度时通过滑 阀的流量随开口的变化曲线，如图 6 所示。从图 中可看出：在开度 x=0.35 mm 时，阀芯流量达到 100 L/min，即达到了系统的额定流量，而当开度 x 大于 0.35 mm 时，流量均为 100 L/min。图 7 所示为进口压强与开度 x 的关系曲线。压强在 0 mm～0.35 mm 内不变为 20 MPa，在 0.35 mm
图 3 稳态液动力随开口的变化曲线
2 基于 FLUENT 的阀芯所受最大液动力的 确定
2.1 滑阀流场的 FLUENT 分析
2011.6 工程机械文摘 51
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图 4 流道模型
图 5 流道网格模型
图 6 流量随开口度的变化曲线
流道模型，流道模型的半剖图如图 4 所示。 （2） 将模型导入 FLUENT12.0 前处理软
液动力是指滑阀开口一定（稳定流动）时，由于 互抵消了。当流量较大时，稳态液动力会较大，
50 工程机械文摘 2011.6
对伺服阀和比例阀的操控有较大的影响，会出现液 动力大于操控力而使阀芯动作失效的情况，因此，减 小工作时换向阀的最大稳态液动力一直是国内外液 压工作者关注的问题。
1 阀芯所受最大液动力的理论推导
为液流角负号表示稳态液动力的方向与 v2cosθ 相 反，所以上式又可写成
Fs =－（2CqCv2Wcosθ）x △p
（4）
考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数
Cq 可取为常数，且令液动力系数 KS = 2CqCv2Wcosθ 等于常数，则上式又可写为：
Fs = －KS x △p
（5）
当压差△p 一定时，由上式可知，稳态液动力与
逐渐减小。两个工况的液动力分析如下所述。
1.1 恒压过程
在图 2 中，阀芯由闭合到逐渐开启过程中，当滑
阀开口很小时，泵排出的部分液体通过溢流阀溢出，
系统近似为一个恒压系统，通过滑阀开口的流量 q
随着开口 x 而改变。阀芯受到的稳态液动力 Fs的通 用表达式即为
Fs = －pqv2
（1）
其中 v2 为流出阀口的速度 ，p 为流体的密度，q
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基于 FLUENT 的滑阀液动
力研究及结构分析
天津理工大学机械工程学院 郭津津 解宁 刘杰 泊姆克（天津）液压有限公司 郭熛
摘 要：液动力是设计、分析液压控制阀及液压系统考虑的重要因素之一。文中采用理论推导 与 CFD 结合的方法，利用流体分析软件 FLUENT 进行不同开口度下的仿真实验，仿真研究了不同 开口度以及不同边界条件的滑阀阀内的流场，分析了出口节流滑阀阀芯所受的最大液动力，并提出 了优化方法。所进行的研究工作对于系统建模分析和滑阀液动力的补偿研究提供了依据。
图 14 阀芯开 U 型槽和三角型节流槽所受到的 液动力对比
芯所开的槽数越多，其所受的最大液动力越 小，由图 12 可知随着槽深的增加，阀芯所受 的最大液动力也逐渐减小。 3.2 开三角型节流槽
阀芯开三角型节流槽模型见图 13。确定 了边界条件，然后针对不同开口的情况使用 FLUENT 软件分别进行求解，分别计算取不同 开口时的液动力。作出三角型槽和 U 型槽对 比的曲 线，如图 14 所示 ，由图可知 开 U 型槽 所受到的最大液动力为 95 N，开三角型槽所 受到的最大液动力为 105 N。对比分析结果， 采用 U 型槽的结构其阀芯液动力小于三角型 节流槽。
2
Fs
=－Ks
q x
（8）
当流量 q 一定时，由上式可知稳态液动力与阀
口开度 x 成反比。表明当系统的压力到调定值时液
动力与开口度 x 成反比。 综上所述，阀芯在开启过
程中液动力先随着开口的增大而线性增加，当系统
压力达到溢流阀的调定值时，液动力与开口度成反
比的减小，可以得出图 3 曲线。在这个过程中，最大 液动力出现在恒压工况与恒流工况的转换位置。
将式（2）、（3）代入（6）得：Fs =－pq2cosθ
姨 Cv
2 p
△p
姨 CqCv Wx
2 p
△p
2
= pq cosθ CqWx
（7）
同样，考虑到 阀口的流速 较高，雷诺数 较大，
流 量 系 数 Cq 可 取 为 常 数 ， 设 液 动 力 系 数 Ks=
pcosθ 等于常数，则上式又可写成 CqW
通过上述分析，本文得到以下结论： 1） 滑阀是工程机械中常用的一类阀，多 用 于 换 向 阀 、多 路 阀 等 。 在 液 压 滑 阀 设 计 中 ， 应用计算流体力学软件 FLUENT，可以实现滑 阀 内 部 流 场 的 可 视 化 分 析 ，从 而 优 化 其 流 道 ， 减小其压力损失。 2） FLUENT 软 件 还 可 以 计 算 滑 阀 液 动 力，通过改变滑阀的结构及阀芯开 U 型槽或 三角型节流槽，可使阀芯在运动过程中受到 的最大液动力减小，能够使得阀芯受到的最 大液动力小于操控力，有效地避免了阀芯动 作失效情况的出现，从而增强了阀芯运动的 平 稳 性 ，对 于 工 程 机 械 中 滑 阀 工 作 的 稳 定 性 ， 可控性有很大的提高。 总之，利用 FLUENT 仿真工具得出的仿 真结果对滑阀的设计、试验有指导性的意义。
生改变而产生的外力，其影响了换向阻力及阀 流 经 阀 腔 和 阀 口
的精确控制。因此，对阀芯液动力的准确计算和 的 液 流 截 面 积 及
有效补偿，是提高大流量液压控制阀及其系统 方向的改变（如图
操作精确性、舒适性、可靠性、安全性及节能的
1 所示） 而引起的 图 2 液压系统示意图
关键环节之一。
液流速度的改变，
图 7 压强随开口度的变化曲线
FLUENT 是用于 CFD（Computational Fluid Dynamics）研究的应用软件，可模拟和分析复杂 几何区域内的流体流动与传热现象。本文利用 该软件分析流体经过阀口时的压力场和速度 场，进而计算出进出口压差。设滑阀的额定流量 为 100 L/min、溢流阀的调定压力为 20 MPa。基 于 FLUENT 的滑阀的数值模拟实验方法如下。
关键词：滑阀 FLUENT 液动力
液压滑阀是流体传动与控制技
术中重要的基础元件，主要结构及工
作原理如图 1 所示。液压滑阀通过阀
芯阀体的相对移动，控制流体的流量
及流动方向。阀芯在移动过程中，受
液压力、弹簧力、液动力、摩擦力、惯
性力等外力影响，其中，液动力是由 于阀芯的移动，使液流的速度矢量发
图 1 滑阀结构示意图
阀口开度 x 成正比。所以由闭合到开启的初始阶段
阀芯所受到得液动力是线性增加的。 1.2 恒流过程
当阀口开大到一定程度后泵排出的液体不再通
过溢流阀溢出，系统成为一个恒流量系统，即通过滑
阀开口的流量基本上保持不变，但流速随开口增大
而减小。液动力可写作
2
Fs
=
－pqv2cosθ=
p
q q
v2 cosθ
（6）
液动力分为稳态液动力和瞬态液动力，瞬 导致液流动量的变化而产生的液动力。稳态液
态液动力在阀芯所受到的各种作用力中所占的 动力又可称为动反力，它可分解为轴向分力和
比重不大，在一般液压阀中通常可以忽略不计， 侧向分力。由于一般将阀体的油腔对称地设置
本文研究的液动力为稳态液动力。所谓的稳态 在阀芯的周围，因此沿阀芯周围的侧向分力相
通过查阅相关资料，本文试图在阀芯圆柱 面上开槽的方法减小阀芯移动的最大液动力。 因 为 通 过 开 槽 ，相 当 于 增 加 了 通 流 面 积 ，使 得 达 到 额 定 流 量 时 ，开 口 度 相 对 减 小 ，从 而 使 其 受到的最大液动力也相应减小。本文试对 U 型 槽和三角型槽两种结构进行分析。 3.1 开 U 型槽
本文同时分析 U 型槽的数量及槽深对阀 芯液动力的影响，根据上述步骤分别用 FLUENT 软件计算阀芯开不同数量的 U 型槽 和不同深度的 U 型槽所受到的液动力。并得出 下面的结论：
如11.6 工程机械文摘 53
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图 13 开三角型节流槽阀芯的三维图
图 2 为液压系统示意图。滑阀在工作时，阀芯由
闭合逐渐开启过程中，由于溢流阀的调定压力的作
用会出现两个工况— ——恒压过程、恒流过程。恒压工
况的特点：由于溢流阀的溢流定压作用，系统压强不
变，通过溢流阀的流量随开口的增大而增大。恒流工
况的特点：当通过阀口的流量达到泵的额定流量，此
时溢流阀不再溢流，系统的压强随着开口的增大而