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基于动网格技术的滑阀液动力分析

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袁俊蔡佳敏

摘??要：文章以某三级电液伺服阀为研究对象，在0～3mm的阀开口量范围内，研究其主阀在不同时刻的动态压力特性。文章基于CFD动网格仿真技术，根据已有结构尺寸，利用ICEM建立了主阀的二维仿真模型，得到主阀在不同时刻所受的力，分析在不同工作压力下阀的受力影响，为功率级滑阀的设计提供参考。

关键词：动网格;瞬态液压力;Fluent平台

电液伺服阀是连接液压部分和电气部分的桥梁，集机械、电气、液压及控制技术于一体，能将输入的电信号转变为液压信号，驱动执行元件作为液压伺服系统的核心元件。其性能的好坏对整个伺服控制系统的性能优劣有重要的影响。然而，对于实际三级电液伺服阀滑阀而言，其结构形式多种多样，尺寸千差万别，再加上难以观察到液流流过滑阀阀口的流动状态，通过实验来分析影响液流流态的各种因素十分困难。

仿真技术是解决该类问题的一个重要研究途径。Fluent软件中的动网格技术能够有效地解决计算域内物体运动的问题，主要使求解过程中的网格发生运动和不断更新、变化，从而解决瞬态仿真问题。运用动网格技术解决瞬态问题，可以极大地减少建模时重复的工作量，且仿真结果更直观、更接近实际情况。因此，本文使用Fluent软件对三级电液伺服阀功率级主阀在开启时所受的力进行数值仿真研究，为三级电液伺服阀主阀结构设计提供指导。

1??滑阀ICEM模型及计算条件

1.1?模型设置

本文研究的三级电液伺服阀额定流量为1000L/min，阀芯行程为3.0mm，阀芯和阀套的控制节流边按全周节流边设计。三级电液伺服阀主阀结构如图1所示。该阀有左右对称的两个主阀腔，每个阀腔为对称结构，为减少计算量，取单个阀腔的1/2建立二维模型，并进行网格划分。模型整体的尺寸为20×50mm，阀口最小开口量只有几百微米，而且本模型不是规则的几何模型，在仿真过程中，采用整体划分网格的话会发生网格畸变，因此，采用分块结构网格进行网格划分[1]。

理想网格划分和边界条件设置如图2所示，是阀开口量为3mm时阀芯阀套之间的过流空间。油液由P口流入，从A口流出，P口和A口的边界条件分别为压力入口边界条件和压力出口边界条件。

实际网格划分如图3所示。采用结构化网格划分，最大网格尺寸为0.3mm，最小网格尺寸为0.2mm，左右两个网格区域分两次画出。

1.2?仿真条件与参数选取

本文中功率级滑阀阀芯直径d1=30mm，阀杆直径d2=18mm，阀芯最大位移xmax=3mm。针对此模型的仿真在分析问题允许的误差范围内，若仅考虑对结果影响较大的主要因素，忽略次要因素，则对计算模型的仿真研究提供了如下假设。

（1）假设伺服阀用滑阀为理想滑阀结构，即认为滑阀所有的节流边为直角形状且具有尖锐的棱边，阀芯与阀体之间配合完美，无配合间隙，不可能发生泄漏。

（2）仿真中所用流体为牛顿流体，流体在压力作用下不可压缩。

（3）不考虑配合件之间的摩擦及摩擦与节流升温对伺服阀用滑阀内流场的影响。

本文以压力入口和压力出口为边界条件，根据所选阀空载时压力参数设定计算参考值分别为Pin=7MPa，Pout=3.5MPa。通过选定的阀的频率特性曲线，根据时间步长设置，初步设定滑阀运动速度V=1mm/s为计算的初始条件。为了使仿真更加准确和便于计算，选定水作为内部流体，其密度ρ=916.8kg/m3，运动粘度μ=0.00298Pa·s，热传导系数k=0.62W/m·K。

2??动网格及相关程序设置

2.1?动网格设置

动网格技术被应用于计算运动边界问题。通过预先指定线速度或角速度来实现边界的运动，通过迭代前一步的计算结果实现运动。在计算前，必须先定义网格的初始状态，在边界运动后，其流域的网格更新遵循用户选择的更新方式在Fluent内自动完成。

本文研究滑阀在运动时所受的力，仿真内部计算域是随着时间发生变化的，属于非稳态问题。因此，本文决定利用动网格仿真技术，通过用户自定义函数来定义边界的运动规律，最终模拟仿真。对比动网格的几种更新方式，结合所建立的网格模型，采用动态层更新法[2]来实现动网格更新，并选用常值比例法进行网格的切割，采用默认设置即可，即分裂因子为0.40，收缩因子为0.04。

2.2?用户自定义函数与程序编写

UDF是Fluent软件提供的一个用户接口，必须在C语言编译器内编写，然后导入到Fluent軟件中编译并加载，UDF的基本功能有指定边界条件、定义材料属性、修改源项、定义网格运动等。

本文采用DEFINE_CG_MOTION宏函数，可以实现对特殊动态域移动的定义。本文主要是给定其中一条边一个速度，达到开口增大的目的。UDF程序如下。

#include

#include”udf.h”

DEFINE_CG