节流阀的fluent仿真

流场仿真结课作业

新型节流阀的流场数值分析

姓 名 郑文婧

学 号 132085206011

学 院 能源与动力工程

专 业 动力工程

2014年7月7日

新型节流阀的流场数值分析

摘要：节流阀广泛应用于液压控制系统中，对其阀腔内部的流场进行详细的分析，尤其是液动力的精确预测，对节流阀的优化设计至关重要。该文采用计算流体动力学（CFD）的方法对一般节流阀建立CFD流体动力学模型，分析其压力分布以及速度分布，优化其结构形式，并对该改进后的新型节流阀内的流场进行分析，与一般节流阀的流场情况进行比较，得出新型节流阀油液在阀腔内更平缓，增加了其寿命。

关键词：节流阀；流场；CFD

Abstract: The throttle valve is widely used in the hydraulic control system, the valve internal flow field of a detailed analysis, especially in the fluid power of accurate prediction, is of prime importance in the optimization of throttle valve design. This paper adopts the method of computational fluid dynamics (CFD) .CFD fluid dynamics model is established for the average throttle valve, and analyzes the pressure distribution and velocity distribution, optimizing its structure, a new type of throttle valve and the improved within the flow field were analyzed, and compared with general flow field of throttle valve, it is concluded that the new throttle valve oil in the cavity is more gentle,and it can increase its life.

Key words: throttle valve; flow field; CFD

1 引言

节流阀广泛应用于液压控制系统的调速和延时回路中，稳态液动力(下称“液动力”)是影响单向节流阀性能的关键因素之一，不仅决定换向阻力，同时也影响节流阀的精确控

制[1]。

目前常规的动量定律分析方法,随着节流阀腔室结构的多样性和复杂性，已无法详细和准确地描述其动静态过程。而液动力的精确控制对节流阀的优化设计至关重要[2]，特别在于衡量阀芯动态平衡上,以获得单向节流阀良好的动态静性能。因此,必须采用流场仿真的方法对液动力进行计算。此外，为了优化设计，对单向节流阀腔室内部流场的详细分析也是必需的[3]。

为此，本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics， CFD)软件对固定节流阀以及改进后的阀腔室3D流场进行详细的CFD计算，研究其流场主要特征参数(射流角、液动力和流量)的变化情况。

2 模型建立及网格划分

在一般使用中，固定式节流阀普遍是截面突然缩小的形式，先对它进行分析;为了提高节流压降，随后设想对固定式节流阀进行改进，使节流阀由一系列的突变形状组成，再对新的流道流场进行分析。

2.1 固定式节流阀模型

对于固定式节流阀的结构几何模型有如图2-1的结构形式（取一半），是固定式节流阀的最普遍的一种，流体流进一个截面突然缩小的通道，流速增大，压力降低。它相当于一个小孔喷嘴。流体从阀前的主管道流进，再进入阀腔，通过阀芯与阀座的环形流道，流入阀后的下一主管道(直径同阀前)。这里，我们只关心流经节流阀的流场，故所取的控制体是包括节流阀的一段局部结构。

流体在流进、流出节流阀的过程中，先是遇到一个突然扩大的流腔，在流腔中高速回漩，再流经阀芯与阀座形成的节流喉口，最后流经一段扩大的短流道后再流入下一级主管道。在这一局部复杂的流道中，有突然扩大的区域，急剧缩小的节流口，流动方向的急剧改变等流道变化复杂区域，流动现象难以把握。故采用CFD软件进行数值模拟研究。

图2-1 突然缩小的节流阀结构形式 图2-2 固定式节流阀的网格模型

2.2 网格划分

对图2-1所示的节流阀结构进行简化，得到其CFD计算模型。由于节流阀阀腔结构圆周对称，因此只需对一半阀腔流道进行建模和网格划分。同时，因为节流阀阀口开度较小，其出口腔压力和速度的梯度较大，存在漩涡等复杂流态，故采用局部网格细化。而进口及阀口前区域为高压部分，压力等变化不大，故采用粗网格，如此也可大大减少计算时间。固定式节流阀流场网格划分如图2-2所示，共划分597个四面体网格。

2.3 边界条件和计算条件

边界条件：左边边界为流体入口，给定入口边界条件为压力入口5MPa，入口处的紊流强度按来流的5%取值，右边边界为压力出口。其它固壁边界按无滑移边界处理，各种流动参数置为零。

在计算过程中对流体的流动状态做了如下假设：

1）流体均看作不可压缩，恒定的牛顿流体（即速度变化时，动力粘度不变）；

2）运动介质为液压油，油液的密度为8kg/m3，动力粘度0.02Pa.S；

3）在计算时选用了标准的k一￡两方程紊流模型。

2.4 CFD结果分析

根据理论分析的经验公式

22

式中：ξ—流阻系数；ΔP—进出口压差；—密度；

v一局部阻力下游处的平均流速。

通过计算，压降值约为3MPa。

通过Fluent 计算后得出固定式节流阀的压力分布及速度分布，如图2-3和2-4。 根据处理发现，在收缩段，很少看到流动的分离，在收缩段中，压力下降，速度显著地增大。 由此看出根据CFD软件计算出的值与经验计算值相差甚小，在工程计算允许的范围之内。

图2-3 固定式节流阀的速度云图 图2-4 固定式节流阀的压力云图

3 固定式节流阀的优化

由于目前的固定式节流阀形式的流动阻力达不到所需的要求，不能提供更大的阻力，故必须改进它的设计。当系统中存在多个局部管件时，若个管件的相隔距离大于相应的影响段，则可认为个局部损失各自而互不相关，因此总局部损失为各局部损失之和，否则，不能简单相加。根据上述理论我们设想将节流阀的几个局部管件连接起来，并且相隔距离在相应的影响段范围内。这样通过该结构的流动阻力势必很大[4]。

3.1 改进后的结构几何模型与网格模型

图3-1是改进后流道变化复杂的固定式节流阀的几何结构三维图。由对称性，取一半几何体进行网格划分，其网格模型如图3-2所示。

图3-1新型节流阀的几何结构模型 图3-2新型节流阀的网格模型

3.2 优化结果分析

依据流体力学和紊流理论，流体压头的损失主要由突然缩小的损失、扩大的压力损失、漩涡产生的损失三部分组成。

图3-1速度等值线云图 图3-2 压力图

通过速度等值线云图(图3-1)，我们可以发现，在流动方向的截面上，速度遵从紊流的通用速度分布规律(紊流高速区域)。在截面突然扩大的两个区域，无论在x方向还是在y方向的压力图(如图3-2)上，我们观察到:都产生了漩涡，能量损失严重。从以上的三维分析可以看出随着节流孔径的增大，压降越来越小，当孔径增大到一定程度(如22~以上)，压降变化越不明显，也就是说此时该新型节流阀节流效果很小了。随着孔径的缩小，压降急剧的上升。通过计算模拟，利用拟合曲线我们得出了当流量确定的情况下，该新型节流阀的压降与小孔直径d的近似关系式如下：

ΔP=1467148.68/d4.2 (2D)

ΔP=16787./d4.3 (3D)

从上式可以看出，阀前后的压差△P随孔径的增加而急剧的减小，与孔径的乘幂成反比。另外，从上述的比较分析可以看出，结果很符合实际流动情况。

4 结论

从分析中，可以知道，由多个局部阻力构件组成的这种新型固定式节流阀，能提供比单个局部阻力管件提供大得多的节流效率。要想增大通过节流阀的流动阻力，应尽量将多个局部阻力构件紧密的连接在一起，使流道变化得急剧和突然，以达到节流效果。相反，若想减小流动损失，则应避免将相邻局部元件布置在其影响段范围内。

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, 2003, 39(6): 13-17.

[2] 冀宏,王东升,丁大力,等.非全周开口滑阀阀口面积的计算方法[J].兰州理工大学学报, 2008, 34(3): 48-51.

[3] 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试验研究[ J].西安交通大学学报,1995 (7): 7-13.

[4] AmiranteR, DelVescovoG,LippolisA.A flow forces analysis of an open center hydraulic directional control valve sliding spool [J]. Energy Convers Manage,2006(47):14-31.