基于cfd的minisocv-cfd仿真分析

基于cfd的minisocv-cfd仿真分析

近年来，随着计算机和计算流量理论的发展，采用fd方法对液压阀内流场进行模拟、可视化和分析，成为新的能源技术领域的研究热点。这一研究对设计阀座的参数和优化流量方面具有重要的实际意义。本文以MHV(S)专利产品族及平台中的基本单元-方向型NG16mm的MINISOCV二通插装阀为研究对象,该阀的阀口形式为座阀,半锥角45°。本文主要基于压差(△p)为1.5MPa,以阀芯运动速度、开口度为两个主要变量,分析它们对于压力分布、阀内流速流量及由于流体运动在流道内所产生的液压力的影响,并借此分析阀内产生能耗和流体噪声的根源。1散位置数值解计算流体力学是利用数值方法通过计算机求解描述流体流动的数学方程,获得空间和时间离散位置处的数值解,揭示流动的物理规律和研究流动的物理特性的学科。流体流动要受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。另外,数学方程还包括下列的微分方程组:流体元总量的变化率为:式中,M为质量;P为动量;2计算模型的构建2.1插装阀结构参数的建模本文描述的是基于图1所示的阀内流体的几何体。流体首先通过插装阀阀口,然后通过阀芯和阀套间的内阀腔,再通过阀套上的四个通油孔进入阀套和阀块之间的外阀腔,最后经由出口流出。为了深入了解二通插装阀在工作过程中内部流场的情况,必须按照实际使用的插装阀结构参数建立三维计算模型。DesignModeler是ANSYS-CFD的首选建模软件,用户可以直接使用它建立复杂的参数化实体模型,也可以从主流的CAD/CAE系统中直接读入数据。本文中使用Solidworks软件对研究对象进行实体建模,可以使用参数化建模方法修改阀的一些参数如开口度,本文中锥阀阀口开口度设置为变化范围为1mm~5.7mm(NG16MINISOCV方向控制组件阀芯最大行程)内的4个离散点,即1mm、2mm、4mm、5.7mm。为简化计算,本文中对流场模型进行了轴对称处理,如图2所示。2.2图1:美国专家系统中国下的使用本文中,设置模型最小网格单元为6e-3,网格划分精度设置为高级,计算模型及网格划分如图3所示。此外,根据实际情况,定义该流体为不可压缩的牛顿粘性流体,流体的密度设为830kg/m由雷诺公式计算雷诺数Re>12000,根据本文的研究目的,只研究阀内的定常紊流,计算模型选取标准k~ε模型。此外,ANSYS-CFD求解器设为压力基求解器。2.3压力出口及阀芯速度设计1)进口:Pressure-inlet,采用压力进口,阀口半锥角为45°,进口压强设为1.5MPa。2)出口:Pressure-outlet,采用压力出口,基准压力为0。3)阀芯:Velocity-inlet,紧靠活动壁面的流体粘附在壁面上,流体具有与壁面相同的移动速度,本文中阀芯速度分别设为-5m/s,-2m/s,0,2m/s,5m/s。其中,阀芯向下运动时阀芯速度为正,阀芯向上运动时阀芯速度为负。3模拟分析3.1迭代残差分析图4所示为阀口开口度为1mm,阀芯运动速度为-5m/s仿真时的迭代残差图,图5,图6所示分别为进口、出口体积流速的收敛监测图,在计算过程中,进口和出口体积流速的数值逐渐趋于稳定,进口为1.68×103.2影响阀内压力和速度的分析3.2.1阀芯节流口面积突变的仿真结果以开口度为1mm,阀芯速度为-5m/s为例,分别绘制流道内的压力分布图,如图7(a)所示;速度等值线图,如图7(b)所示;速度矢量图,如图7(c)所示。由以上图示可以看出:1)在阀芯节流口处和阀套上的四个通流孔处,都是过流面面积突变处,流动非常复杂;2)通过阀芯节流口时,由于过流断面面积突然减小,流速增大,压力减小;3)从速度矢量图中可以看出,过流断面面积突变处,将出现主流与壁面脱离的现象;4)从速度等值线图中可以看出,在通油孔内远离节流口处产生了漩涡,在出口拐角处,由于过流断面面积增大,也有漩涡的产生,事实上,漩涡区的形成是液压锥阀产生能耗和流体噪声的根源。3.2.2阀芯开启时阀内总体压力图8为不同开口度及阀芯运动速度下的流场内最高压力的计算结果。由图8可知:1)阀芯关闭时的阀内总体压力要大于开启时的阀内总体压力;2)在阀芯运动速度相同时,开口度越小,阀内最高压力越大,而且开口度大小对压力的影响相当明显。3.2.3阀内流速的影响图9为开口度大小及阀芯运动对阀内流速影响的计算结果。由图9可以看出:1)阀内流速是开启时大于关闭时的;2)在阀芯抬起时,阀内流速受阀芯速度影响较大,而在阀芯关闭时,阀芯速度的变化对阀内流速影响较小。3.3阀芯运动速度表1和图10为开口度、阀芯运动速度进、出口质量流率的关系。由表1及图10可以看出:1)质量流率净值(即进、出口质量流率差值)只与阀芯的绝对速度有关,而与阀芯的速度方向及开口度大小无关;2)阀芯速度为正(阀芯向下运动使阀芯关闭的方向),阀芯运动速度快,进口质量流率减少,出口质量流率增多;3)阀芯速度为负(阀芯向上运动使阀芯抬起的方向),阀芯运动速度快,进口质量流率增多,出口质量流率也增多;4)在阀芯运动速度相同时,阀芯开口度越大,进出口质量流率均增多;5)在开口度相同的情况下,阀芯以最大速度抬起时,进口质量流率值最大。3.4开口度对阀芯压力的影响图11为不同开口度及阀芯运动速度下的流场内液压力的计算结果。由图11可以看出:1)在阀芯速度相同时,开口度越大,阀内由于流体运动所产生的液压力也越大;2)在开口度相同时,阀内由于流体运动所产生的液压力是开启时大于关闭时的,但是影响甚微。4阀芯运动规律在不同的阀芯运动速度及开口度下,本文对MINISO二通插装阀流场使用ANSYS-C