通过Fluent软件对滑阀内流场进行数值模拟仿真分析

摘 要

　　在流体传动控制系统中，通过各类控制阀来控制流体的流动方向、压力和流量，从而控制执行机构的运动与速度，保证执行机构按设计的要求带动负载进行工作。滑阀式液压阀作为重要的基础控制阀之一，是利用阀芯相对于阀体的相对运动实现油路的接通和关断，或者改变液流的方向，从而完成执行元件的启动、停止和换向。由于实际生产使用的滑阀结构和尺寸种类比较多，通过实验来观测液流在滑阀内的实际流动状态是比较困难的，因此从流场微观角度对液压油流经流场状态进行可视化研究，通过改变阀芯形状及其它参数改善滑阀流场流动特性，从而对滑阀进行结构优化，提高滑阀工作性能。

　　当液体流经节流口时，阀内流场会重新排布，在该过程中，除了阀口节流带来能量损失外，阀腔以及阀芯沟槽拐角处也会有漩涡的产生，导致噪声的产生，从而带来能量损耗，影响滑阀性能。因此，本文主要对阀内漩涡特性以及影响漩涡分布和强度的因素进行探讨，从而实现对阀内漩涡的控制，提高阀内能量利用率，提高滑阀性能。

　　本文通过UG建立不同结构阀芯滑阀的三维流体仿真模型，在GAMBIT软件中完成不同结构的几何建模，采用四面体和六面体混合网格完成模型网格划分，同时对拐角等关键研究区域采取了网格局部细化。采用流体计算学（CFD）方法，通过 Fluent 软件对滑阀内流场进行数值模拟仿真和可视化分析。首先，针对入口和出口节流两种工况，对不同开口下模型进行稳态仿真，对比分析了开口大小对入口和出口节流阀内流场分布的影响。其次，针对入口节流，在相同开口条件下，对比分析了不同进口速度和不同出口压力对阀内流场分布的影响。最后，综合开口以及不同边界因素对阀内流场的影响，对阀内漩涡分布和强度进行定性和定量分析，根据分析结果，对阀芯沟槽底部拐角结构进行改进。传统的滑阀阀芯沟槽底部采用直角形式，主要为了加工方便，但随加工技术的进步，数控加工已非常普遍，沟槽加工成什么形状并不会提高加工成本。因此，本文将阀芯沟槽底部直角结构改为圆弧型和斜角圆弧型，通过 Fluent 软件对改进后模型进行仿真计算，对改进前后不同阀芯结构滑阀的速度、压力、湍动能分布图进行对比分析，从理论上对结构改进的合理性进行验证。

　　关键词：滑阀阀芯，结构形状，Fluent，漩涡，能量损失，结构改进

ABSTRACT

　　In the fluid transmission control system, various types of control valves are used to control the flow direction, pressure, flow of the fluid and to realize the control of the movement and speed of the actuator. And it is ensured that the actuator drives the load to work as designed. Spool valve type hydraulic valve is one of the most important control valves, which uses the relative movement of the valve core to the valve body to control the opening and closing of the oil circuit or change the direction of the flow to control the start, stop and commutation of the actuator. There are many types of slide valve structures and sizes used in actual production. It is difficult to observe the actual flow state of the liquid flow in the slide valve through experiments. Therefore, the flow field state of the hydraulic oil is visualized through the flow field microscopic view. The valve core shape and other parameters are changed to improve the flow characteristics of the spool flow field and the working performance of the spool valve.When the liquid flows through the spool valve port, the trajectory of the fluid in the valve will be redistributed. In the process, the valve orifice will cause energy loss. And there will also be vortices generated at the valve chamber and corners of the valve groove, which causes noise, leads to energy loss and affects spool valve performance. Therefore, this article mainly discusses the vortex characteristics in the valve and the factors that affect the distribution and strength of the vortex, so as to achieve the control of the vortex development inside the valve, improve the energy efficiency in the valve and the performance of the slide valve.

　　In this paper, the three-dimensional fluid simulation models of the spool valve are established by UG, the geometric models of different structures are completed in GAMBIT, Tetrahedral and hexahedral hybrid meshes are used to complete the meshing of the model, and local refinement of the grid is used for key research areas such as corners. Fluid simulation (CFD) method is used to simulate and visualize the flow field in slide valve by Fluent. Firstly, under the two conditions of inlet and outlet throttling, the steady state simulation is performed for the models with different openings, and the influence of the opening size on the flow field distribution in the inlet and outlet throttle valves is coMPared and analyzed. Secondly, under the condition of inlet throttling and the same opening, the effects of different inlet speeds and different outlet pressures on the flow field distribution in the valve are coMPared and analyzed. Finally, according to the influence of the opening and the different boundary factors on the flow field in the valve, the vortex distribution and strength in the valve are qualitatively and quantitatively analyzed. Based on the analysis results, the bottom corner structure of the valve core groove is improved. The bottom of the traditional slide valve groove is in the form of a right angle, mainly for the convenience of processing, but with the advancement of processing technology, numerical control processing has become very common. The processing of the groove into any shape does not increase the processing cost. Therefore, in this paper, the right-angle structure of the bottom of the valve core groove is changed to circular arc type and angled arc type, and the improved models are simulated and calculated by Fluent. The distribution graphs of the velocity, pressure and turbulence energy of the slide valve with different valve core structures are coMPared and analyzed, and the rationality of structural improvement is verified theoretically.

　　KEY WORLDS: spool valve core, structure shape, Fluent, energy loss, structural improvement

　　液压传动是通过控制一定压力条件下流体介质的运动，从而实现对传动过程中质量、能量和动量控制的一种传动方式，和已有的传统方式相比较，液压传动有一定技术方面的优势[1]：首先，在相同功率条件下，在输出相同大小的动力时，所需要的液压装置要比其他传动装置小很多，且重量轻。其次，在对压力或者流量进行传递的过程中，除了可以通过不同的液压元件完成对传递方向的调节外，对流经系统的流量也有较好的控制。

　　同时，在动力的传送过程中，可实现动力的多方位传递。因此，液压传动广泛应用于各个行业。在国防工业方面，很多武器装备以及各种飞行系统均采用了液压技术，如坦克稳定系统，飞机操舵系统，导弹和火箭的发射系统等，该技术的应用减少了很多设备的重量，增强了系统稳定性，为武器设备的二次研发提供了关键技术。在工程应用机械方面，从起初的基础设备到后来不同种类的重型设备，液压技术均为设备研发提供了新的技术和方向，如刨床、铣床以及挖掘机、推土机等。在冶金工业方面，液压技术为控制系统的转型提供了关键技术，使冶金设备实现了不同程度的自动化控制，如电炉、转炉和高炉控制系统。在食品及化工工业方面，液压技术应用于中小型食品厂和化工厂的各种小型机械设备中，如印刷机，液体装瓶机，塑料包装机等。除此之外，计算机信息技术的快速发展，使液压技术在持有自己传统应用的基础上，有了更进一步的发展，结合计算机的智能控制系统，为电子技术的发展和现代控制技术的应用提供了技术支持，成为现代工程的主要控制手段。但是，液压技术也因其泄漏问题、对污染敏感以及维护性差等缺点，使其在某些领域的应用受到一定的限制[2]，从而可能被其它传动取而代之。

　　目前，已经有部分设备运用新的传动方式取代了原有的液压传动，如电控伺服系统已广泛应用于机床和微型塑料成型机。尽管如此，液压技术在现有技术的支持下，不同程度的克服某些缺点，使其在不同应用领域都有新的发展。

　　随着近几十年的发展，液压技术在现有技术的快速推动下，将应用领域迅速扩张到高科技成果应用，如机电一体化和新工艺新材料等，使液压技术在和其它传动方式的竞争中，一直处于优势状态。在大幅度提高产品质量的同时，高科技与液压技术的结合也给传统的液压技术指出了新的发展道路和方向。尽管现有的液压技术已经成为解决绝大多数工程问题强有力的技术手段，仍然有一定的提升空间，为了紧随高科技技术的发展，液压技术还需要从以下几个方面来提升自己的竞争优势：

　　在液压节能技术的发展过程中，总存在或大或小的能量损耗，尤其是在机械能和压力能互相转换的过程中，能量损耗不可避免，因此在液压元件和液压系统的选取方面，要尽可能的减小内部节流损失，提高系统能量利用率。在高科技的引领下，液压技术从元件乃至系统的组成方面，都将节能放在首要位置，因此，其系统构造也变得较为复杂，对液压元件密封和泄露要求也随之提高，从而达到减少液压元件相互连接过程中的能量损失的目的，而新型材料的研究为液压元件和液压系统的集成化和一体化提供了新的研究方向。

　　污染分为两大类，第一种是系统外部环境的污染源对系统内部的入侵，第二种是在生产产品过程中，系统内部释放的污染源对外部环境的污染。因此，在抵制污染以及抑制其扩散的过程中，分别从以上两个角度实行有效控制，从而切断其污染的根源。过去，对外面环境污染源的控制主要考虑固体颗粒，忽略了液体和气体给系统带来的污染，然而，近年来的研究表明，液体和气体的入侵也会给生产系统带来严重的影响，因此，在今后的液压发展中，要严格控制液体和气体污染源入侵系统，从而实现对外部污染源的控制。另一方面，将新型密封材料应用于液压元件和液压系统的设计，提高系统内部密封性，同时开发出去污能力和抗污染能力较强的新型液压元件，从而提高系统抵抗外部污染的能力。另外，环保和绿色是当今时代发展的主题，对产品生产过程中产生的污染，要实现集中处理，控制对外部周边环境的污染。

　　为了尽可能的利用液压技术响应快、可柔性强以及智能化等优点，原来较为单一的液压系统逐步向一体化方向迈进，为了更好的满足机电液一体化的需求，需要提高液压元件在耐磨性、高效率等各方面综合性能，实现产品标准化设计。如开发低成本、低功耗的电控阀门，开发适用于像野外环境条件的电液比例阀，以及研发不需要通过信息转换，可以直接与计算机端口进行连接的高频率、低功耗的电控数字阀。

　　近年来，随着人们对保护环境、绿色开发的日益关注，新型材料在液压技术方面的应用，使其在发展道路上有了质的飞跃，如使用菜油基等代替矿物质油，既满足了流体力学的需要，又解决了液压油受环境温度的影响。除此之外，各种工艺技术也相继融入进液压技术中，像铸造工艺和液压技术的结合，完成了多个单一液压元件之间的顺序组合，使其成为一个整体，去除了原有的管道连接，避免了油液在各元件之间的泄露，让整个系统的密封性能有所提高，减少了不必要的能量损失。

通过Fluent软件对滑阀内流场进行数值模拟仿真分析：

速度矢量图与速度云图

开口 1mm 对称面流场分布图

电磁换向阀工作原理示意图

多路阀阀片

入口节流式滑阀结构示意图

出口节流式滑阀结构示意图

滑阀网格划分示意图

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 液压技术的发展概况及发展趋势
　　　　1.2 课题研究背景与意义
　　　　1.3 课题研究现状
　　　　1.4 课题主要研究内容
　　第二章 计算流体力学相关内容
　　　　2.1 计算流体动力学
　　　　　　2.1.1 计算流体动力学的理论概述
　　　　　　2.1.2 计算流体动力学的基本控制方程
　　　　2.2 湍流模型介绍
　　　　　　2.2.1 湍流特性
　　　　　　2.2.2 湍流模型
　　　　2.3 CFD 计算方法介绍
　　　　　　2.3.1 SIMPLE 算法介绍
　　　　　　2.3.2 SIMPLE 算法流程
　　　　2.4 Fluent 软件介绍
　　　　　　2.4.1 Fluent 软件结构
　　　　　　2.4.2 Fluent 软件特点
　　　　2.5 Tecplot 软件介绍
　　　　2.6 本章小结
　　第三章 滑阀解析模型的建立
　　　　3.1 滑阀基本介绍
　　　　　　3.1.1 滑阀工作原理
　　　　　　3.1.2 滑阀结构在液压系统中的应用
　　　　3.2 几何模型和网格划分
　　　　　　3.2.1 UG 建立几何模型
　　　　　　3.2.2 模型网格划分
　　　　3.3 仿真条件设定
　　　　　　3.3.1 解析设定
　　　　　　3.3.2 边界条件设定
　　　　　　3.3.3 求解设置
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 滑阀稳态流场特性分析
　　　　4.1 不同阀口开度下滑阀稳态流场分析
　　　　　　4.1.1 入口节流分析
　　　　　　4.1.2 出口节流分析
　　　　　　4.1.3 小结
　　　　4.2 不同边界条件下滑阀稳态流场分析
　　　　　　4.2.1 不同进口速度下滑阀稳态流场分析
　　　　　　4.2.2 不同出口压力下滑阀稳态流场分析
　　　　4.3 初步优化后滑阀稳态流场分析
　　　　　　4.3.1 初步优化滑阀结构及原理
　　　　　　4.3.2 初步优化后滑阀稳态流场分析
　　　　4.4 二次优化后滑阀稳态流场分析
　　　　　　4.4.1 二次优化滑阀结构及原理
　　　　　　4.4.2 二次优化后滑阀稳态流场分析
　　　　4.5 本章小结
　　第五章 总结与展望
　　　　5.1 全文总结
　　　　5.2 工作展望
　　参考文献
　　致谢
　　攻读硕士学位期间的成果及发表的论文

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