基于動網(wǎng)格的液壓缸內(nèi)部流場的數(shù)值模擬仿真

蘇乃權(quán)，周瑞強，蔡業(yè)彬，黃崇林，喬東凱

（廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東茂名525000）

基于動網(wǎng)格的液壓缸內(nèi)部流場的數(shù)值模擬仿真

蘇乃權(quán)，周瑞強，蔡業(yè)彬，黃崇林，喬東凱

（廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東茂名525000）

運用動網(wǎng)格技術(shù)，對液壓缸的流動區(qū)域進行數(shù)值模擬，使用Fluent中的Profile文件定義活塞桿的運動速度與運動時間。經(jīng)過數(shù)值模擬后，得到液壓缸在不同的時間段內(nèi)計算域的壓力及速度云圖。模擬仿真的結(jié)果能夠較好的反應(yīng)液壓缸的內(nèi)部流場，有助于設(shè)計者了解液壓缸的內(nèi)部流場的變化情況。

液壓缸；FLUETN；動網(wǎng)格；數(shù)值模擬

液壓缸作為執(zhí)行元件，由于液壓傳動介質(zhì)的流動性、可壓縮性、粘性、易受污染等特性以及易受溫度、壓力等環(huán)境的影響等原因，使得液壓缸往復(fù)運動動態(tài)性能表現(xiàn)得比機械傳動復(fù)雜得多，極易出現(xiàn)振動、噪聲、沖擊和爬行等不正常工作狀態(tài)，而且故障原因不易確定，影響設(shè)備的穩(wěn)定運行[1]。然而，很少有專門針對單個液壓缸的內(nèi)部流場進行分析研究，而主要集中在對控制液壓缸的閥及控制器進行研究。當(dāng)活塞在出現(xiàn)振動時，主要從控制液壓缸的閥進行分析研究與對控制器進行優(yōu)化，很少考慮到液壓缸的內(nèi)部流動的液壓油的變化情況。

動網(wǎng)格技術(shù)已廣泛的運用到液壓系統(tǒng)分析中，如文獻[2-5]將動網(wǎng)格技術(shù)引入到離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬中，對離心泵非定常流場進行數(shù)值模擬；文獻[6]對氣缸活塞運動過程進行動態(tài)數(shù)值模擬，通過動網(wǎng)格的生成與消亡，較好地解決因活塞運動所導(dǎo)致計算區(qū)域瞬時變化問題，得到氣缸在不同蓄能腔體積、量孔直徑及活塞作用面積下，活塞所受軸向力、位移變化等特性的可視化仿真結(jié)果，獲得氣缸內(nèi)部流場分布。由于動網(wǎng)格技術(shù)可以自行地定義活塞桿的運動速度及運動時間，將動網(wǎng)格技術(shù)引入到流體模型的內(nèi)部流動的數(shù)值模擬中，對流體模型的流場分析更加接近實際的工作。本文主要是運用動網(wǎng)格技術(shù)，分析液壓缸在相同速度下柱塞伸出過程及其內(nèi)部流場的變化。

1 動網(wǎng)格技術(shù)

計算流體動力學(xué)（CFD）是一門新興的獨立學(xué)科，將數(shù)值計算方法和數(shù)據(jù)可視化結(jié)合起來，對液體的流動等相關(guān)物理現(xiàn)象進行模擬仿真，是當(dāng)今除理論分析、實驗測量外，解決流動問題的一種新的技術(shù)方法。主要包括兩部分：網(wǎng)格化和模擬仿真，其中：Gambit主要是對模似的流體進行細分，即網(wǎng)格化；Fluent是流體模型網(wǎng)格化后，選擇Fluent中豐富的物理模型進行模擬，求解工程實際問題。

動網(wǎng)格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。邊界的運動形式可以是預(yù)先定義的運動，即可以在計算前指定其速度或角速度。網(wǎng)格的更新過程由FLUENT根據(jù)每個迭代步中邊界的變化情況自動完成。在使用動網(wǎng)格模型時，必須首先定義初始網(wǎng)格、邊界運動的方式并指定參與運動的區(qū)域，用邊界型函數(shù)Profile定義邊界的運動方式[7]。因此，動網(wǎng)格技術(shù)的網(wǎng)格模型比較簡單，不需要構(gòu)建滑動區(qū)域與交界面，但動邊界的運動需要Profile文件驅(qū)動，網(wǎng)格在計算過程達到一定限度后自動進行重劃分[8]。

2 仿真模型在Gambit中的網(wǎng)格化

仿真模型選用的是單桿活塞缸，其特點是僅在液壓缸的一腔中有活塞桿，缸兩腔的有腔面積不相等。因此，當(dāng)壓力油以相同的壓力和流量分別進入缸的兩腔時，活塞在兩個方向的推力、運動速度都不相等。液壓缸尺寸：長為300 mm，液壓缸直徑為50 mm，活塞的直徑為28 mm.如圖1所示。

圖1 液壓缸的簡圖

在仿真的過程，由于活塞桿快速縮回液壓油經(jīng)過液壓閥直接流回油箱其壓力變化較小。因此，仿真過程中只考慮活塞桿伸出過程，取活塞桿的一小段作為仿真圖形，主要是觀察活塞桿在相同的運動速度不同時間段內(nèi)，其周圍的壓力場及速度場的變化對活塞桿壁面的影響。

如圖2所示，在Gambit中對所畫的仿真圖形進行網(wǎng)格，首先對活塞桿的仿真圖形的8條邊進行網(wǎng)格，網(wǎng)格間隔為0.5，接著對整個流動區(qū)域進行網(wǎng)格，網(wǎng)格間隔為2.

圖2 Gambit中的網(wǎng)格圖

把在Gambit中的網(wǎng)格設(shè)置好之后，導(dǎo)入Fluent中觀察隨著時間的變化計算域中的網(wǎng)格變化情況，如圖3～圖7所示。

圖3 活塞運動1s時的網(wǎng)格圖

圖4 活塞運動2s時的網(wǎng)格圖

圖5 活塞運動3s時的網(wǎng)格圖

圖6 活塞運動4s時的網(wǎng)格圖

圖7 活塞運動5s時的網(wǎng)格圖

從上面的圖中可以看到計算域內(nèi)網(wǎng)格隨著活塞桿的運動而變化，網(wǎng)格出現(xiàn)了不同程度的變形。隨著時間的變化，活塞桿左邊的計算域內(nèi)的網(wǎng)格間隔變得稀疏。

3 液壓缸內(nèi)部流場的仿真

用Profile文件定義活塞桿的運動速度及運動時間。流動區(qū)域的計算使用Fluent流動軟件，模型選取：Unsteady非穩(wěn)定性型和標準k-epsilon湍流模型；46#液壓油。采用的邊界條件：（1）液壓缸的入口壓力為5 ×106Pa，出口壓力為0 Pa；（2）活塞桿作為可運動的壁面。如圖8可見液壓缸計算域的continuity、x-velocity、y-velocity、k、epsilon的迭代殘差圖。

圖8迭代殘差圖

圖9 是每0.1 s對活塞桿壓力變化進行監(jiān)測，總共監(jiān)測5 s.經(jīng)過迭代計算，活塞桿壁面所受的壓力的變化曲線。

圖9 活塞桿在不同時間段的壓力監(jiān)測圖

圖10～圖14所示為活塞桿在各個時間段內(nèi)的壓力云圖。

圖10 1s時的壓力云圖/Pa

圖11 2s時的壓力云圖/Pa

圖12 3s時的壓力云圖/Pa

圖13 4s時的壓力云圖/Pa

圖14 5s時的壓力云圖/Pa

從壓力云圖中可以看到，當(dāng)流動區(qū)域的進出口壓力值給定時，液壓缸流動區(qū)域的壓力的變化比較穩(wěn)定，液壓缸出口處的的液壓油經(jīng)過閥直接流回油箱，活塞桿的右邊的壓力出現(xiàn)了負值。

圖15～圖19所示為活塞桿在各個時間段內(nèi)液壓油流動的速度云圖。

圖15 1s時的速度云圖/（mm/s）

圖16 2s時的速度云圖/（mm/s）

圖17 3s時的速度云圖/（mm/s）

圖18 4s時的速度云圖/（mm/s）

圖19 5s時的速度云圖/（mm/s）

當(dāng)設(shè)定活塞桿的運動速度為勻速時，在液壓缸與活塞桿的上下壁面留有1 mm的間隙，從上面的速度云圖中，可以看到液壓油從活塞桿與缸壁面縫隙間液壓油的流動速度明顯變大，這樣會使活塞桿容易出現(xiàn)震動。

4 結(jié)束語

采用動網(wǎng)格技術(shù)對液壓缸的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，運用Profile文件定義活塞桿的運行時間及速度，這樣更加的接近液壓缸的實際工作，得到的液壓缸內(nèi)部流動區(qū)域的壓力及速度云圖，為液壓缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能測試提供了參考。

[1]王林鴻，吳波，楊叔子，等.液壓缸運動的非線性動態(tài)特征[J].機械工程學(xué)報，2007，12（43）：12-19.

[2]江帆，陳維平，王一軍，等.基于動網(wǎng)格的離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J].流體機械，2007，17（35）：20-24.

[3]黃思，楊富翔，郭京，等.運用三維動網(wǎng)格技術(shù)模擬計算離心泵非定常流動[J].科技導(dǎo)報，2013，31（24）：33-36.

[4]管俊，黃思.基于CFD的液環(huán)真空泵兩相流動性能分析[J].化工機械，2010，6（37）：755-757.

[5]石麗娜，陳志平，章序文，等.基于動網(wǎng)格的高壓煤漿輸送泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬優(yōu)化研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報，2012，3（26）：402-411.

[6]葛如海，王桃英，許棟，等.基于動網(wǎng)格和UDF技術(shù)的氣缸動態(tài)特性研究[J].機床與液壓，2010，21（38）：12-15.

[7]李進良，李承曦，胡仁喜，等.精通FLUENT6.3流場分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[8]江帆，庾在海，王一軍，等.轉(zhuǎn)籠生物反應(yīng)器流場的滑移網(wǎng)格與動網(wǎng)格計算比較[J].廣州大學(xué)學(xué)報，2007，3（06）：37-41. [9]黎啟柏，劉樹道，吳百海，等.液壓元件手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

Numerical Simulation of Internal Flow Field of Hydraulic Cylinder Based on Dynamic Mesh

SU Nai-quan，ZHOU Rui-qiang，CAI Ye-bin，HUANG Chong-lin，QIAO Dong-kai
（School of Electro-Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

Dynamic mesh technique is applied for numerical simulation of the flow area of hydraulic cylinder.The movement of the piston rod is defined by the profile file in the Fluent software，in which the movement speed and time.After the numerical simulation，pressure and velocity diagram of calculation domain is obtained.Simulation results can better response the internal flow field in hydraulic cylinder，and it help understand the change of the internal flow field in hydraulic cylinder for designers.

hydraulic cylinder；FLUENT；dynamic mesh；numerical simulation

TH137.51

A< class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0004-03

廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室開放課題GDUPTKLAB201614支持；廣東省科技計劃項目（2014A010106033）；廣東省云機器人（石油化工）工程技術(shù)研究中心（編號2015B090903084）；廣東石油化工學(xué)院青年基金項目（513090）；廣東省橡塑材料制備與加工工程技術(shù)研究中心（2015B090903083）

蘇乃權(quán)（1990－），男，廣東湛江人，碩士研究生，研究方向為機電液智能控制。