節流閥廣泛應用于液壓控制系統的調速和延時回路中,穩態液動力(下稱“液動力”)是影響單向節流閥性能的關鍵因素之一,不僅決定換向阻力,同時也影響節流閥的精確控制。

目前常規的動量定律分析方法,隨著節流閥腔室結構的多樣性和復雜性,已無法詳細和準確地描述其動靜態過程。而液動力的精確控制對節流閥的優化設計至關重要,特別在于衡量閥芯動態平衡上,以獲得單向節流閥良好的動態靜性能。因此,必須采用流場仿真的方法對液動力進行計算。此外,為了優化設計,對單向節流閥腔室內部流場的詳細分析也是必需的。

為此,本文采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件對固定節流閥以及改進后的閥腔室3D流場進行詳細的CFD計算,研究其流場主要特征參數(射流角、液動力和流量)的變化情況。

在一般使用中,固定式節流閥普遍是截面突然縮小的形式,先對它進行分析;為了提高節流壓降,隨后設想對固定式節流閥進行改進,使節流閥由一系列的突變形狀組成,再對新的流道流場進行分析。

對于固定式節流閥的結構幾何模型有如圖2-1的結構形式(取一半),是固定式節流閥的最普遍的一種,流體流進一個截面突然縮小的通道,流速增大,壓力降低。它相當于一個小孔噴嘴。流體從閥前的主管道流進,再進入閥腔,通過閥芯與閥座的環形流道,流入閥后的下一主管道(直徑同閥前)。這里,我們只關心流經節流閥的流場,故所取的控制體是包括節流閥的一段局部結構。

流體在流進、流出節流閥的過程中,先是遇到一個突然擴大的流腔,在流腔中高速回漩,再流經閥芯與閥座形成的節流喉口,最后流經一段擴大的短流道后再流入下一級主管道。在這一局部復雜的流道中,有突然擴大的區域,急劇縮小的節流口,流動方向的急劇改變等流道變化復雜區域,流動現象難以把握。故采用CFD軟件進行數值模擬研究。

對圖2-1所示的節流閥結構進行簡化,得到其CFD計算模型。由于節流閥閥腔結構圓周對稱,因此只需對一半閥腔流道進行建模和網格劃分。同時,因為節流閥閥口開度較小,其出口腔壓力和速度的梯度較大,存在漩渦等復雜流態,故采用局部網格細化。而進口及閥口前區域為高壓部分,壓力等變化不大,故采用粗網格,如此也可大大減少計算時間。固定式節流閥流場網格劃分如圖2-2所示,共劃分55497個四面體網格。

邊界條件:左邊邊界為流體入口,給定入口邊界條件為壓力入口5MPa,入口處的紊流強度按來流的5%取值,右邊邊界為壓力出口。其它固壁邊界按無滑移邊界處理,各種流動參數置為零。

在計算過程中對流體的流動狀態做了如下假設:

1)流體均看作不可壓縮,恒定的牛頓流體(即速度變化時,動力粘度不變);

2)運動介質為液壓油,油液的密度為889kg/m3,動力粘度0.02Pa.S;

3)在計算時選用了標準的k一￡兩方程紊流模型。

根據理論分析的經驗公式

通過計算,壓降值約為3MPa。

通過Fluent 計算后得出固定式節流閥的壓力分布及速度分布,如圖2-3和2-4。 根據處理發現,在收縮段,很少看到流動的分離,在收縮段中,壓力下降,速度顯著地增大。 由此看出根據CFD軟件計算出的值與經驗計算值相差甚小,在工程計算允許的范圍之內。

由于目前的固定式節流閥形式的流動阻力達不到所需的要求,不能提供更大的阻力,故必須改進它的設計。當系統中存在多個局部管件時,若個管件的相隔距離大于相應的影響段,則可認為個局部損失各自獨立而互不相關,因此總局部損失為各局部損失之和,否則,不能簡單相加。根據上述理論我們設想將節流閥的幾個局部管件連接起來,并且相隔距離在相應的影響段范圍內。這樣通過該結構的流動阻力勢必很大。

圖3-1是改進后流道變化復雜的固定式節流閥的幾何結構三維圖。由對稱性,取一半幾何體進行網格劃分,其網格模型如圖3-2所示。

依據流體力學和紊流理論,流體壓頭的損失主要由突然縮小的損失、擴大的壓力損失、漩渦產生的損失三部分組成。

通過速度等值線云圖(圖3-1),我們可以發現,在流動方向的截面上,速度遵從紊流的通用速度分布規律(紊流高速區域)。在截面突然擴大的兩個區域,無論在x方向還是在y方向的壓力圖(如圖3-2)上,我們觀察到:都產生了漩渦,能量損失嚴重。從以上的三維分析可以看出隨著節流孔徑的增大,壓降越來越小,當孔徑增大到一定程度(如22~以上),壓降變化越不明顯,也就是說此時該新型節流閥節流效果很小了。隨著孔徑的縮小,壓降急劇的上升。通過計算模擬,利用擬合曲線我們得出了當流量確定的情況下,該新型節流閥的壓降與小孔直徑d的近似關系式如下:

從上式可以看出,閥前后的壓差△P隨孔徑的增加而急劇的減小,與孔徑的乘冪成反比。另外,從上述的比較分析可以看出,結果很符合實際流動情況。

從分析中,可以知道,由多個局部阻力構件組成的這種新型固定式節流閥,能提供比單個局部阻力管件提供大得多的節流效率。要想增大通過節流閥的流動阻力,應盡量將多個局部阻力構件緊密的連接在一起,使流道變化得急劇和突然,以達到節流效果。相反,若想減小流動損失,則應避免將相鄰局部元件布置在其影響段范圍內。