出口錐形管口區(qū)域流場仿真研究

王旭東

摘 要：利用CATIA軟件建立錐形管口流道的三維幾何模型，以流量連續(xù)性方程和Navier--Stokes方程為基礎(chǔ)，建立出口錐形管口區(qū)域流場的數(shù)學模型--三維流動控制方程，再由GAMBIT劃分計算網(wǎng)格，導入FLUENT進行計算求解，最后對仿真結(jié)果進行分析，得到出口錐形管口區(qū)域流場的壓力場分布情況和速度場分布情況。

關(guān)鍵詞：錐形管口;高壓流體;區(qū)域流場;流場特性;GAMBIT網(wǎng)格

中圖分類號：TH137.52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0055-03

0 引言

液壓閥是液壓系統(tǒng)中非常重要的元件，主要通過控制流體的壓力、流量和流動方向來滿足工作要求，使各類執(zhí)行元件實現(xiàn)不同的動作[1]。在液壓工程閥領(lǐng)域中，各種異形閥口廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)實踐中，起著各種各樣的作用，那么研究其工作時管口區(qū)域流場分布特性，特別是高壓流體經(jīng)過時其壓力特性和速度特性的分布情況[2，3]，就顯得尤為重要和迫切，這對幫助我們對其進行優(yōu)化設(shè)計，改善其流場分布狀況，提高其工作性能具有積極的意義。本文正是試圖通過建立相應的幾何模型和數(shù)學模型，利用專業(yè)的流體仿真軟件，對高壓流體穿越出口錐形管口、進出口梯形等異形管口區(qū)域的過程進行仿真模擬，以對其中的流場壓力特性和速度特性作一簡略的研究分析。

1 建立模型

1.1 幾何模型

模型的建立在反映真實結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上給定幾何參數(shù)，其二維結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)與進口錐形管口區(qū)域相似，主要由閥芯、閥體等組成。β表示閥口錐角，x表示閥口開度，α表示閥口長度，b表示閥桿長度，d表示閥芯閥桿直徑，D表示閥芯臺肩直徑，m表示左閥腔沉割槽寬度，z表示沉割槽間距，n表示右閥腔沉割槽寬度，h表示左右閥腔沉割槽高度，w1表示進油口管道直徑，w2表示出油口管道直徑。流體流過此出口錐形管口流道區(qū)域的三維模型用CATIA建立，由于其內(nèi)部流動具有對稱性，只仿真其中的一半流動區(qū)域，以提高計算效率，節(jié)省計算機內(nèi)存。

1.2 數(shù)學模型

流體在此出口錐形管口區(qū)域的三維流動控制方程[4，5]如下。

流量連續(xù)性方程： ? ? ? ? ?（1）

Navier一Stokes方程：

（2）

上式中：

——流體密度（kg/m3）;

、、—— 分別為流體流速沿x軸、y軸、z軸方向的投影分量（m/s）;

、、—— 分別為單位質(zhì)量力在x軸、y軸、z軸方向的投影分量（m/s2）;

——流體壓強（Pa）;

——流體運動粘度（mm2/s）。

由于液壓油的壓縮性是非常小的，在計算中可完全忽略壓縮性的影響，為不可壓縮的恒定牛頓流體。因此流體在此管口區(qū)域三維流動控制方程可簡化為：

流量連續(xù)性方程： ? ? ? ? ? ? ?（3）

Navier-Stokes方程：

（4）

2 網(wǎng)格劃分及計算

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作條件的確定

為研究高壓流體穿越此出口錐形管口區(qū)域過程中的流場特性，需確定此模型結(jié)構(gòu)參數(shù)值及特定工作條件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

計算條件：流體介質(zhì)為32號液壓油，密度為870kg/m3，動力粘度為0.0261Pa.s。

邊界條件：進出口壓力邊界條件，其中進口壓力為10Mpa，出口壓力為標準大氣壓，與流體接觸的邊界壁面為靜止壁面。

區(qū)域內(nèi)流體流動為單相流，系統(tǒng)內(nèi)部流體無熱傳導現(xiàn)象。

2.2 網(wǎng)格劃分

模型確定后，對流體三維流動區(qū)域進行網(wǎng)格劃分：

三維流體流動區(qū)域在CATIA中創(chuàng)建完成。流道區(qū)域初始計算網(wǎng)格由GAMBIT劃分生成，采用四面體與六面體混合網(wǎng)格生成技術(shù)。由于閥口區(qū)域及流道拐角處壓力速度梯度大[6]，為獲得更好的求解精度，采用FLUENT的網(wǎng)格自適應功能對初始計算網(wǎng)格再進行細化處理。

2.3 求解計算

將網(wǎng)格導入FLUENT進行求解。為使求解結(jié)果準確可靠，符合真實情況，結(jié)合此CFD分析模型，在充分了解掌握FLUENT仿真原理及總結(jié)以往仿真經(jīng)驗基礎(chǔ)上，在對相關(guān)參數(shù)及模型反復設(shè)置計算，綜合比較分析結(jié)果優(yōu)劣后，決定采用基于壓力求解器，隱式算法，三維面對稱定常流動。經(jīng)計算此模型內(nèi)最低雷諾數(shù)遠大于管口區(qū)域臨界雷諾數(shù)260，模型內(nèi)流體流動狀態(tài)為湍流，湍流模型采用標準k-ε湍流模型。壓力速度耦合運用SIMPLE算法，動量方程的離散格式設(shè)為一階迎風，連續(xù)性方程和動量方程收斂殘差標準為10的負四次方。各種參數(shù)設(shè)置好后開始進行迭代計算。經(jīng)390次迭代計算殘差曲線收斂，說明參數(shù)設(shè)置正確，模型選擇合理，仿真結(jié)果理想，其殘差曲線監(jiān)視器如圖2所示。

3 仿真結(jié)果分析

對計算結(jié)果進行后處理可以得到相應的流場仿真結(jié)果分布圖，下面根據(jù)流場分布圖對其區(qū)域流場分布情況進行具體分析。

3.1 管口整體區(qū)域流場分布情況分析

從圖3（a）出口錐形管口區(qū)域流線分布圖可知，流體在閥腔內(nèi)的流動相當復雜變化劇烈，在進出口管道流體流動則相對簡單。

從圖3（b）出口錐形管口區(qū)域?qū)ΨQ面速度云圖可看出，油液在進出口管道內(nèi)流動平緩，速度分布均勻，而在左右閥腔及閥口區(qū)域內(nèi)流速變化大，分布不均勻。在左閥腔壁面及右閥腔中間區(qū)域為低速區(qū)，整個區(qū)域內(nèi)的最大速度區(qū)出現(xiàn)在錐形閥口與閥芯交接壁面一帶流道區(qū)域處。

從圖3（c）出口錐形管口區(qū)域?qū)ΨQ面速度矢量圖可看出，流體在進口管道內(nèi)流動均勻，在閥口及閥腔區(qū)域流動復雜，并在右閥腔內(nèi)出現(xiàn)大旋渦，而在出口管道內(nèi)流線從四周匯集于中間流出。

圖3（d）為出口錐形管口區(qū)域?qū)ΨQ面壓力云圖，從圖中可看出壓力在整個出口錐形管口區(qū)域中的分布情況。閥腔及進口管道內(nèi)壓力分布較均勻，閥口及出口管道區(qū)域內(nèi)壓力變化大，最低壓出現(xiàn)于閥口與閥芯交接拐角壁面處。

3.2 閥口區(qū)域流場分布情況分析

（1）閥口區(qū)域壓力場分布情況分析。由于閥口區(qū)域結(jié)構(gòu)對稱，取對稱面閥口下方流道區(qū)域來分析閥口處軸向壓力分布情況。取軸向距閥口端面右邊2mm處的半圓環(huán)流道來分析閥口處徑向壓力分布情況，流場分布情況如圖4所示。

從圖4（a）出口錐形閥口區(qū)域軸向壓力等值線分布圖可看出，流體從左至右流過閥口區(qū)域時，其壓力值在不斷減小，壓力梯度變化不均等。在閥口拐角及閥體節(jié)流口處，壓力梯度變化大，壓力等值線分布密集，且在閥口與閥芯拐角處出現(xiàn)負壓，為此閥口區(qū)域的最低壓，因而此處最有可能發(fā)生氣穴氣蝕現(xiàn)象。

從圖4（b）出口錐形閥口區(qū)域徑向壓力分布圖可看出，閥口區(qū)域徑向壓力分布不均衡，最低壓出現(xiàn)在閥口區(qū)域右下方閥體壁面處，最高壓出現(xiàn)在閥口上方閥芯壁面處，大體上看閥芯壁面附近壓力大于閥體壁面附近壓力。

（2）閥口區(qū)域速度場分布情況分析。同樣取對稱面閥口下方流道區(qū)域來分析閥口處軸向速度場分布情況，取軸向距閥口端面右邊2mm處的半圓環(huán)流道來分析閥口處徑向速度場分布情況，流場分布情況如圖5所示。

從圖5（a）出口錐形閥口區(qū)域軸向速度云圖可知，閥口區(qū)域速度分布復雜，閥口高速區(qū)在節(jié)流口至閥口與閥芯拐角一帶流道壁面處，而在閥口端面及節(jié)流口下方閥體壁面處分布著低速區(qū)，這是因為流體在向閥口流動時遇到閥口端面的阻礙作用使其速度減小，而在節(jié)流口下方閥體壁面處為脫空區(qū)域，但有回流產(chǎn)生。

從圖5（b）出口錐形閥口區(qū)域軸向速度矢量圖可知，流體從左邊至右邊流過閥口區(qū)域過程中，其流線相互擠壓逐漸密集，油液流動不斷加劇。由于閥體流道處流體的強烈沖擊及導向作用，促使閥口區(qū)域主流流體一齊平行于閥芯壁面流向閥腔。

圖5（c）為出口錐形閥口區(qū)域徑向速度云圖，從圖中可看出速度場在閥口區(qū)域徑向分布均勻，未出現(xiàn)明顯的差異。

4 結(jié)語

本文通過對進口閥區(qū)流場的仿真研究，通過控制變量法，分析了在固定條件下閥口區(qū)域壓力場、速度場及旋渦流場的分布情況，可以得到幾個結(jié)論：（1）閥口區(qū)域流場流動情況復雜，存在高速射流、分離流、回流、旋渦及局部低壓現(xiàn)象，甚至還有氣穴氣蝕發(fā)生的可能;（2）壓力場和速度場在閥口區(qū)域分布不均衡，在軸向及徑向分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

參考文獻

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