基于κ-ε湍流模型的多泵合流用液壓集成塊仿真設(shè)計*

霍佳波 卓成強 劉忠 張玉璽 扶佳

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

液壓集成塊已成為液壓系統(tǒng)中不可或缺的組成元件，是液壓閥的主要載體，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、泄露少、安裝方便、維護保養(yǎng)容易、件與元件直接無油管連接、容易實現(xiàn)模塊化、標準化、通用化和集成塊程度高等優(yōu)點[1-4]。其內(nèi)部主要以網(wǎng)絡(luò)流道為主，表面分布著作用不同的孔，主要為螺紋安裝孔、公共油孔、工藝孔等孔道。隨著液壓系統(tǒng)的設(shè)計和制造越來越復(fù)雜，使得液壓集成塊的設(shè)計也越來越復(fù)雜。采用單泵工作的液壓設(shè)備較為普遍，而如要研制一些既要高壓大流量又要在野外完成特殊作業(yè)的液壓設(shè)備，那么就需要多臺液壓泵集中供給液壓動力[5-6]。針對液壓設(shè)備對動力源壓力、流量的需求，使用Gambit建立多泵合流用液壓集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)的三維造型，采用基于κ-ε湍流模型對集成塊內(nèi)部孔道流場進行模擬分析，從而掌握孔道結(jié)構(gòu)壓力損失及速度分布規(guī)律，進而設(shè)計集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)[7-10]。

1 基于κ-ε湍流模型

在液壓集成塊中，因其內(nèi)部管道變化而引起的局部壓力損失是液壓系統(tǒng)主要損失形式。局部壓力損失與流動液壓油的動能有著直接的關(guān)系，采用式(1)計算液壓系統(tǒng)壓力損失：

(1)

式中：ζ是局部阻力系數(shù)，其值與障礙的形式和雷諾數(shù)有關(guān)；ρ是孔道液壓油的密度，單位是kg/m；v為孔道液壓油的平均流速,單位是m/s；從式(1)中可知，液壓集成塊的局部壓力損失與液壓油的流速成正比關(guān)系，液壓油的流速越大，局部壓力損失也就越大，所以在液壓集成塊的設(shè)計過程中，保證其滿足要求的情況下，設(shè)定的液壓油流速可適當(dāng)小些。

由于液壓油具有黏性且是不可壓縮的流體，因此液壓集成塊內(nèi)流動的液壓油在經(jīng)過直角轉(zhuǎn)彎時，會發(fā)生湍流流動。本文采用標準的κ-ε湍流模型[6]：

(2)

式中，μ1為湍流的黏度，k為湍動能，ε為湍動耗散率，Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，通常取值0.09。

湍動能k的運輸方程：

(3)

耗散率ε的運輸方程：

(4)

其中Cε1、Cε2、σk、σε均為經(jīng)驗常數(shù)，分別取值1.44、1.92、1.3、1.0。

2 建立結(jié)構(gòu)仿真模型

為滿足野外進行特殊作業(yè)的液壓施工設(shè)備對高壓大流量的需求，需設(shè)計多泵合流用液壓集成塊。由多臺液壓泵集中供給液壓動力，通過設(shè)計一種多泵合流用液壓集成塊將各液壓泵提供的壓力油進行合流，并經(jīng)過電液比例壓力流量復(fù)合閥對合流后壓力油的壓力、流量根據(jù)實際工況進行調(diào)節(jié)，進一步滿足多種液壓設(shè)備對泵站的需求。以三泵合流為例設(shè)計該集成塊，其閥組裝配見圖1。

圖1 集成塊閥組裝配圖

結(jié)合工程實際，集成塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)三維模型

液壓集成塊內(nèi)部是縱橫交錯的孔道，若采用圓弧轉(zhuǎn)彎，則會大大提高加工難度和成本，采用直角轉(zhuǎn)彎，加工簡單、效率高、成本低，故在工程上液壓集成塊內(nèi)部孔道的轉(zhuǎn)彎通常采用直角轉(zhuǎn)彎。由三泵合流液壓集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)三維模型可知，其內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜及直角轉(zhuǎn)彎比較多，其內(nèi)部管道變化而引起的局部壓力損失是液壓系統(tǒng)主要損失形式。因此選取其等比直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)模型(見圖3)，采用基于κ-ε方法的湍流模型對集成塊內(nèi)部孔道流場進行模擬分析其液壓油在液壓集成塊的流動特性和局部壓力損失規(guī)律。

圖3 集成塊等比直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)模型

3 基于κ-ε湍流模型仿真分析

在Gambit中建立仿真結(jié)構(gòu)模型完成后，根據(jù)要求設(shè)置各項參數(shù)，將其保存為msh格式并導(dǎo)入Fluent軟件中，在Fluent軟件中選定進口速度為4 m/s，出口壓力可任意值，此處設(shè)定為0 MPa，液壓油的密度為875 kg/m3，動力黏度為0.045 kg/m·s，通過計算出入口的壓力差即可測算壓力損失值。在實際工況下，該集成塊主要工作形式有三泵同時供油和單泵供油。

當(dāng)三泵同時工作，其仿真結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 三泵同時工作的壓力云圖

圖5 三泵同時工作的速度云圖

由分布云圖及表1數(shù)據(jù)分析可知，液壓油在孔道內(nèi)各處的壓力大小和流速大小都不同；當(dāng)液壓油剛進入液壓集成塊孔道時，其流動狀態(tài)比較穩(wěn)定，流線保持平行，液壓油流經(jīng)直角彎道時，壓力減小，說明壓力發(fā)生了損失，在三個孔道中，3號孔道內(nèi)及出口處的壓力最??；三孔道內(nèi)的液壓油進入合流以后，流速加快，壓力減?。划?dāng)流經(jīng)第二個直角彎道時，壓力再次發(fā)生損失，同時在轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)一個較大渦旋，由于渦旋流線較大，渦旋中心的速度幾乎為0，液壓油流動需要克服此漩渦的黏性力，故造成液壓能損失。

表1 最大流速和壓力損失

現(xiàn)在對單泵供油時進行分析(以1號孔泵油為例)，其仿真結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 僅1號工作的壓力云圖

圖7 僅1號孔工作的速度云圖

由分布云圖及表2數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)只有單孔進油(1號孔)進油時，發(fā)現(xiàn)孔道內(nèi)最大壓力出現(xiàn)在1號孔對應(yīng)的工藝孔內(nèi)，三條進油孔道中，2號孔壓力最小，1號孔道內(nèi)每經(jīng)過一個轉(zhuǎn)彎，壓力就會發(fā)生損失，同樣在第二個轉(zhuǎn)彎處，出現(xiàn)了一個較大旋渦，工藝孔和2、3號進油孔道速度基本為0，1號孔油流入公共孔道內(nèi)時，速度出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在進入第二個轉(zhuǎn)彎后，速度明顯降低。依據(jù)上述分析結(jié)果，現(xiàn)針對集成塊內(nèi)部孔道T字形結(jié)構(gòu)進行仿真分析，其分析結(jié)果如圖8、9所示。

表2 僅1號孔工作時最大流速和壓力損失

圖8 T字形結(jié)構(gòu)分流壓力分布云圖

圖9 T字形結(jié)構(gòu)分流速度分布圖

由上述分布圖及表3可知，當(dāng)液壓油進入分流點時，在孔道各形成一個較小壓力旋渦，同時在分流孔道形成一個高壓旋渦區(qū)域，液壓油流經(jīng)此區(qū)域時發(fā)生分流，液壓集成塊分流孔道中，兩側(cè)液壓油的流速不同。該結(jié)構(gòu)壓力的損失主要是液壓油在分流處突然發(fā)生擴散從而導(dǎo)致流速壓力沖擊損失和轉(zhuǎn)向損失，可通過改變分流處結(jié)構(gòu)降低壓力損失。

表3 T字形分流結(jié)構(gòu)最大流速及壓力損失

4 結(jié)論

本文運用fluent軟件對三泵合流液壓集成塊內(nèi)部孔道三泵結(jié)構(gòu)、T字形結(jié)構(gòu)、單泵進油結(jié)構(gòu)進行仿真分析，系統(tǒng)分析了三泵合流結(jié)構(gòu)孔道流動特性、單孔道進油結(jié)構(gòu)流動特性以及T字形孔道流動特性。分析結(jié)果表明，孔道內(nèi)流體每經(jīng)過一次轉(zhuǎn)彎都會發(fā)生壓力損失，同時容易出現(xiàn)紊流，還會出現(xiàn)旋渦，漩渦是產(chǎn)生局部壓力損失的主要原因。