02缓冲阀关键结构的流场仿真

缓冲阀关键结构的

流场仿真

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目录

1概述 ............................................................................................................................ 1 2基本物理模型 ............................................................................................................ 1

2.1流体动力学的连续性方程 ............................................................................. 1 2.2流体动力学的动量方程 ................................................................................. 1 2.3流体动力学的能量方程 ................................................................................. 2 3缓冲阀的结构 ............................................................................................................ 2 4缓冲阀流场仿真 ........................................................................................................ 4

4.1计算流体动力学的计算流程 ......................................................................... 4 4.2流场几何模型建立 ......................................................................................... 5 4.3流场模型网格划分 ......................................................................................... 6

4.3.1网格划分 .............................................................................................. 6 4.3.2网格质量 .............................................................................................. 8 4.4缓冲阀流场数值计算及后处理 ..................................................................... 9 5结论 .......................................................................................................................... 11

1概述

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是一门最新发展起来的学科。它通过计算机求解流体运动时的运动方程，得出流场的定量描述，并对运动规律进行描述和进一步的预测，它是根据欧拉方程与纳维-斯托克斯方程，采用数值计算方法求解，从而研究流体运动特性和给出流体运动空间的定常流动或非定常流动规律的学科。ANSYS公司收购了ICEM CFD 和CFX，拓宽了ANSYS 的应用领域，提升了其在流场仿真和流固耦合中的地位。

本研究采用ANSYS ICEM 划分网格，利用Fluent来对缓冲阀关键结构的流场求解仿真。

2基本物理模型

流体的连续介质假设适用于缓冲阀关键结构的流场分析，其运动规律满足质量守恒、动量守恒和能量守恒定律,分别体现为连续性方程、动量方程和能量方程。

2.1流体动力学的连续性方程

连续性方程就是我们常说的质量守恒方程，质量守恒定律是流体力学中最基本的定律。根据质量守恒定律的说法，在一定的时间内，在所取的平面上流入的流体质量等于流出的流体质量，根据这些可得到流体流动时的质量守恒微分方程为：

(ux)(uy)(uz)0 txyz式中，ux、uy、uz分别为 x、y、z 轴三个方向上的速度分量(m/s)，t为时间(s)，

为密度(kg/m3)。

2.2流体动力学的动量方程

动量方程其实就是牛顿第二定律，流体力学研究的是流体的动量。动量方程的意

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义是：任意一个流体质点受它外界各种力的作用从而产生了其动量的变化。同样我们可以根据

这些描述得到流体质点在 x、y 和 z 三个方向上的动量方程：

(ux)(uxuy)(uxuz)p(xxyxzx)fz txzxxyz(uy)t(uxuy)x(uyuz)zpxxyxzx()fy yxyz(uz)(uzux)(uyuz)p(xxyxzx)fz txyzxyz式中，p是流体质点所受到的压强(Pa)，xx、yx、zx是因为分子之间粘性摩擦力作用在流体质点上的粘性力的分量(Pa)，fx、fy、fz是在 x、y、z 轴三个方向上的单位质量力(m/s2)，如果流体质点只受重力作用，而且方向是沿 z 轴垂直向上，则有fxfy0,fzg。

2.3流体动力学的能量方程

能量守恒定律其本质是热力学第一定律，它里面包含了流体运动时的热交换。这个定律的意思是：流体质点的能量增加量就是流体质点热量的增加量和外力对流体质点所做的功之和。流体质点的能量等于物体内能、运动动能和重力势能三项之和。流体质点能量 E 与温度 T 之间的关系表达式：

(T)kdiv(uT)div(gradT)ST tcp式中，cp是流体比热容，T为流体温度，k为流体的传热系数，ST为流体的内能和流体的热能损失部分之和，通常将ST称作粘性耗散项。

3缓冲阀的结构

缓冲阀结构简图如下图1所示，在阀芯的右端面中心上开有节流孔，在中后部开有溢流孔；初始状态下，阀芯和蓄压器靠缓冲弹簧的预压力而紧贴一起，限

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位柱主要作用是限制蓄压器的位移。

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3 4

5

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1-堵头 2-阀芯 3-小孔 4-蓄压器 5-限位柱 6-缓冲弹簧

图1 缓冲阀结构简图

在换档阀移动而开始向离合器充油时，油液同时输入缓冲阀的进油口P口，其向右的油压推力与缓冲弹簧6的张力相平衡，缓冲阀各个零件基本保持在初始位置，当充油过程进行一段时间，缓冲阀芯2与柱塞4都向右移，以至缓冲阀芯打开溢流用的泄油口，使缓冲阀出油口的油压被限制在较低的范围内。与此同时，缓冲阀芯内的油液经阀芯内的小孔流向阀芯和蓄压器围成的腔室，流入腔室的油液逐渐建立起一定的油压，由于在阀芯内的节流孔的前后有一定压力差，而且这个压力差随蓄压器右移时逐渐减小。利用不断减小的压力差，可以控制通过节流孔的流量也随之而减小。这样，蓄压器4以不断减小的速度向右移动。缓冲弹簧6则随之缓慢地增大压缩变形，结果是使离合器油缸内的油压也渐渐地增加。在这期间，缓冲阀芯2只有微小的向右移动，以便调节溢流的流量。直到蓄压器柱塞左移至被顶住而限位时，油压才急升至主压力值。为方便对其进行流场仿真分析，首先建立缓冲阀的三维模型，其结构如下图2所示

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图2 缓冲阀的三维模型

由三维模型中可看出，在缓冲阀的结构中，进油口、溢流孔以及节流孔处的流场对缓冲阀的性能影响较大，因此需要分析这些结构处的压力、速度。

4缓冲阀流场仿真

4.1计算流体动力学的计算流程

计算流体动力学是一种研究工具，可以用来帮助解释某些物理实验和理论分析结果，甚至确定实验数据和分析过程不能明确解释的物理现象，其主要流程有①网格生成；②选择合适的物理模型以及设定边界条件；③计算；④检验计算结果是否准确可信；⑤后处理。其流程图如下图3所示。

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创建/修改几何模型网格生成设定求解模型和边界条件否判断计算结果是否准确可信是计算后处理 图3 计算流体动力学流程

4.2流场几何模型建立

要对液压阀内部流场进行分析，就必须首先进行模型的建立，模型的正确建立对以后的仿真计算有着非常重要的意义。在建模的时候，要求计算模型应尽量反映出流场的流动情况，同时又能很好的用计算机进行计算，所以在建模时有必要对模型进行适当的简化。本文采用三维设计软件CATIA对缓冲阀进行建模，如上图2所示，并利用布尔运算，得的缓冲阀内的流场，因蓄压器右端的流场直接流回油缸，因此可以不用分析此部分流场，最后缓冲阀内的流场入下图4所示，流场是在溢流开口为2mm。

图4 缓冲阀内的流场模型

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图5 缓冲阀内的流场剖面模型

4.3流场模型网格划分 4.3.1网格划分

计算流体力学的本质就是对控制方程在所规定的区域上进行点离散(如有限差分法)或区域离散(如有限元法与有限体积法)，从而转变为在各网格点或子区域上定义的代数方程组(如果是非线性方程组通常还要进行线性化)，然后用线性代数的方法迭代求解。

为进行流动的数值解析首先必须划分网格，也就是要将整个流体流动的空间区域划分成许多多面体子区域,并确定每个区域的节点。流体机械内部的流动区域大都为复杂的不规则区域,要完成这些区域网格的划分需要大量的时间，甚至比计算本身所需的时间还多。网格分布是流动控制方程数值离散的基础，因此，网格技术是实现瑞流数值模拟的关键技术之一，网格质量的好坏直接影响到解析的收敛性和结果的精度,网格生成的难度和耗费在整个模拟解析过程中占有较大的比重。

将图4的CATIA模型转化为stp文件，导入到ICEM CFD软件中进行非结构化网格。ICEM CFD软件是专门针对流场运算的网格划分软件，可以生成用于CFD计算的高质量网格，并且对边界层计算有良好的支持效果。这里直接采用体网格划分方式对缓冲阀流场几何模型进行网格划分，设置相应的网格参数后，在ICEM CFD软件中将缓冲阀流场进行网格划分后如下图6所示。

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图6 缓冲阀流场体网格

可以观察x轴切面处的网格，如下图7所示。

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图7 缓冲阀流场x轴切面处网格

4.3.2网格质量

网格的质量对于数值计算的正确域稳定起着非常重要的作用。在ICEM CFD软件中以Quality作为质量好坏的评判标准，缓冲阀流场网格的质量柱状图，如下图8所示，横轴表示网格质量，值越大表明网格质量越好，不允许质量为负值的网格存在，纵轴为相应网格质量区间内对应的网格单元数，通常情况下，在网格质量都大于0.3时，都能够满足计算要求，可以将网格导入到Fluent中仿真计算。

图8 质量柱状图

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4.4缓冲阀流场数值计算及后处理

将ICEM CFD软件中计算得到的网格导入Fluent中，并检查网格，保证最小单元体积为正。使用Fluent 3D稳态隐式求解器，将尺寸改为mm，选择k湍流模型。通过建立辅助平面方法观察相应截面的压力和速度分布情况，压力分布云图如下图9所示。

图9 压力分布云图

分别放大缓冲阀进口、出口处流场压力分布以及溢流孔处的压力分布云图如下图10所示。

(a)进口处压力云图

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(b) 出口处压力云图

(c)溢流孔处压力云图

图10 缓冲阀进口、出口处以及溢流孔处流场压力分布云图

由图10可以看出在稳定状态时，缓冲阀的压力主要是分布在进口、出口以及回油的溢流孔处变化较大，进口通道和出口通道处的压力分布比较相似，都是在进入腔室时压力逐渐减小，而在溢流通道处压力变化比回油口处的变化明显，压力也比出口处大。

图11速度云图

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分别放大缓冲阀进口、出口处流场速度分布以及溢流孔处的速度分布云图如下图12所示。

(a)进口处速度云图

(b) 出口处速度云图

(c)溢流孔处速度云图 图12速度云图

由图12可以看出在稳定状态时，缓冲阀内流体的速度主要是分布在进口、出口以及回油的溢流孔处变化较大，进口通道和出口通道处的速度分布比较相似，都是在进入腔室时速度逐渐减小，而在溢流通道处压力变化比回油口处的变化明显，速度也比出口处大。

5结论

通过对缓冲阀三维模型建立，从而建立缓冲阀流场内的流体模型，利用ICEM CFD软件对缓冲阀的流场进行网格划分，导入Fluent软件进行求解，再缓冲阀进口流量为60L/min，溢流2mm的情况下，在流体处于稳定状态时，进口和出口

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压力在1.27MPa左右，压力在进口、出口以及回油的溢流孔处变化较大，进口通道和出口通道处的压力分布比较相似，都是在进入腔室时压力逐渐减小，而在溢流通道处压力变化比回油口处的变化明显，压力也比出口处大。缓冲阀内流体的速度主要是分布在进口、出口以及回油的溢流孔处变化较大，在进入腔室时速度逐渐减小，而在溢流通道处压力变化比回油口处的变化明显，速度也比出口处大。

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