基于FLUENT的液压滑阀仿真研究
基于Fluent的某滑阀内部流场仿真与分析
基于Fluent的某滑阀内部流场仿真与分析张静;高东玲;王晓辉【摘要】基于Fluent流场仿真软件,对某滑阀内部流场进行数值模拟和可视化研究.在相同计算条件下,分别对不同阀口开度下的三维模型进行稳态模拟仿真,得到滑阀内部流场的速度压力、流量特性以及流量系数的变化规律:在相同的压差条件下,随着阀口开度的增大,阀口处的最大速度、流场的最低压力、流量系数都随之降低.通过改变节流槽的形状进行仿真比较,得到流量系数与节流槽截面形状密切相关,在阀口开度相同的条件下,随着进出口压差的增大,半圆形节流槽滑阀的流量系数变化比较明显.研究为滑阀的优化提供了有效数据,并且对同类型产品的相关研究具有一定参考价值.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P56-59)【关键词】滑阀;流速压力;压力流量特性;流量系数;半圆形节流槽【作者】张静;高东玲;王晓辉【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH137引言液压阀是液压系统中非常重要的元件，主要通过控制流体的压力、流量和流动方向来满足工作要求，使各类执行元件实现不同的动作[1]。
液压控制阀的内部结构比较复杂，主要由阀体、阀芯、操纵控制机构等主要零部件组成。
滑阀类的阀芯是圆柱形，通过阀芯在阀体孔内的滑动来改变液流通路开口的大小，以实现对液流压力、流量及方向的控制。
非全周开口滑阀具有水力半径大，抗阻塞的特点，其流量范围大，易得到较小的稳定流量，在液压比例阀和伺服阀中得到了广泛应用[2]，节流槽滑阀的特性分析对液压阀的性能提升起着很重要的作用。
近几年随着计算机科学技术的不断发展以及计算流体力学理论的丰富。
人们借助CFD技术对液压阀复杂内部流场进行数值模拟和可视化分析，成为液压领域的热点。
基于fluent的滑阀液动力研究
基于fluent的滑阀液动力研究及结构分析刘杰天津理工大学机械工程学院摘要：液动力是设计、分析液压控制阀及液压系统考虑的重要因素之一。
文中采用理论推导与CFD结合的方法，利用流体分析软件FLUENT进行不同开口度下的仿真实验，仿真研究了不同开口度以及不同边界条件的滑阀阀内的流场，分析了出口节流滑阀阀芯所受的最大液动力，并提出了优化方法。
所进行的研究工作对于系统建模分析和滑液动力的补偿研究提供了依据。
关键词：FLUENT 最大液动力优化设计The Research of Flow Force of Sliding Valve and Structural Analysis Based on FLUENT液压滑阀是流体传动与控制技术中非常重要的基础元件, 其作用是控制流体的流量及流动方向，对滑阀的受力和工作过程进行深入的研究就显得十分必要。
液压滑阀依靠圆柱形阀芯在阀体或阀套的密封面上作轴向移动而打开或关闭阀口，从而控制流体流向，常用于液压装置中，使运动机构获得预定方向和行程的动作或者实现自动连续运转。
它的特性为易于实现径向力的平衡，因而换向时所需的操作力小，易于实现多通路控制；工作可靠；制作简单。
液动力的计算在液压阀的受力分析中最为关键。
进行液压阀的设计、分析和试验时，必须对其工作过程中的力学特性有透彻的了解，其中最基本的就是对阀芯受力(量计算。
在液压阀阀芯受到的所有力中，最难准确计算的就是液动力。
液动力是影响液压阀性能的关键因素之一, 不仅决定换向阻力也影响阀的精确控制。
液动力对液压系统的性能影响很大，它不仅是设计控制阀所必须考虑的重要因素，而且其方程还是分析液压系统特性的基本方程之一。
尤其是在设计、分析和试验大流量液压控制阀时由于其阀芯液动力很大，液动力对阀及整个液压系统的性能影响更大。
对阀芯液动力的准确计算和有效补偿，是提高大流量液压控制阀及其系统操作舒适性、可靠性、安全性及节能的关键环节之一。
基于Fluent的大通径滑阀压力流量特性研究
图1
滑阀式换向阀结构简图
1. 1
数学模阀口液流流速较 大 ，雷诺数远大于阀口临界雷诺数 ， 液流为紊流流 S 方程作为控制方 动 ，采用三维不可压缩雷诺平均 N程 ，计算模型用标准 kε 模型 ，控制方程如下 连续性方程 ： u i =0 xi 动量方程 ： u i u j u i u j 1 p = fi － + （ ν + νt ） + x j ρ x x j x j x i 紊动能方程 （ k 方程 ） ：
t k i
机床与液压
第 39 卷
紊动能耗散率方程 （ ε 方程） ： 2 u i ε ν t ε ε ε = C ε1 P k + － C ε2 ν+ k k x i x σ k x i 2， 3 ） 为沿 x i 方向的雷诺平均速度分 式中 ： u i （ i = 1 ， 量 ，ν 为流体的运动黏度 ，P k 为紊动能产生率 ， ν t 为
2011 年 10 月 第 39 卷 第 19 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Oct. 2011 Vol. 39 No. 19
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2011. 19. 030
基于 Fluent 的大通径滑阀压力流量特性研究
：
[
(
)]
收稿日期： 2010 － 10 － 18 作者简介： 周元春 （ 1986 —） ，男，硕士研究生，主要研究方向为流体传动与控制。E － mail： jameszhouhust@ qq. com。
· 104·
u i k = Pk + x j x i ν k [(ν+σ ) x ] － ε
基于Fluent软件的大流量液压锥阀流场的数值模拟
Abstract：The hydraulic poppet valve is an important control component in the hydraulic system，whose characteristic of the inner flow filed influences directly the valve ＇s performance. Based on the finite volume method of the CFD software，the hydraulic oil flow inside the big flux poppet valve is simulated. The streamline、 pressure and velocity patterns have been given and analyzed the influence with the opening position and flux. The study has offered the significant theoretic reference to forecast the performance and optimize of the big flux poppet valve in engineering. Key words：hydraulic poppet valve； big flux； inner flow filed； CFD
基于 Fluent 软件的大流量液压锥阀流场的数值模拟
赵永杰， 卢永锦
（ 中国船舶重工集团公司第 704 研究所， 上海 200031 ）
摘
要： 液压锥阀作为液压系统的主要控制部件， 阀内流场直接影响阀的工作性能 . 本文采
基于Fluent的某滑阀内部流场仿真与分析
７ ３ ０ ０ ５ ０ ） （ 兰州理工大学 能源与动力工程学 院 ， 甘肃 兰州
摘
要： 基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 流 场仿 真软件 ， 对 某滑 阀 内部 流场 进 行数 值 模 拟 和 可视 化 研 究。在 相 同计 算条 件
下， 分 别真 ， 得 到 滑 阀 内部 流 场 的速度 压 力 、 流 量特 性 以及 流
化提 供 了有 效数据 ， 并且 对 同类型 产品 的相 关研 究具有 一定参 考价值 。
关 键词 ： 滑阀； 流速 压 力 ； 压 力流量特 性 ； 流量 系数 ； 半 圆形 节流槽 中图分类 号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ７ 文 献标 志码 ： Ｂ 文章 编号 ： １ ０ ０ ０ － － ４ ８ ５ ８ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ － ０ ０ ５ ６ － ４ ０
Ｔｈ ｅ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ａ Ｓ ｐ ｏ ｏ ｌ Ｖａ ｌ ｖ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ
Ｚ ＨＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ ｇ，Ｇ ＡＯ Ｄ ｏ ｎ ｇ — ｌ ｉ ｎ ｇ ，Ｗ ＡＮ Ｇ Ｘｉ ａ ｏ — ｈ ｕ ｉ
ｐ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ， ｔ ｈ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｌ ｖ ｅ ｐ ｏ ｔ， ｒ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｓ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｌ ｆ ｏ ｗ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｌ ｆ ｏ ｗ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｇ ｒ ａ ｄ ｕ ａ ｌ —
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ，Ｌ ｇ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ， Ｇ ａ ｎ ｓ ｕ ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
基于FluidSIM软件的液压与气动仿真教学研究
真， 从而提高其学习的积极性和创造性。
气动回路中的换向阀必须使用电磁阀，执行元件动作的 切换还需要配套使用行程开关和压力继电器等电气元 件， 并且液压、 气动回路和电气回路中对应的电气元件标 签要设置成相同的名称才能关联起来。
近年来， 我国的工程机械行业、 机床制造业和汽车行 业飞速发展， 而液压和气动技术作为机床、 汽车和工程机 械 的 重 要组成部分，一直以来是高校机械类专业一门实 践性很强的技术基础课ra。 液压与气动课程传统的教学模 式是由教师通过讲授、 板书及观看液压元件的结构图等, 把教学内容按理论体系传授给学生，学生在学习中普遍 感到知识抽象、 概念不清， 特别是液压基本回路的工作原 理。 虽然采用了多媒体教学,但多媒体课件在上课之前已 经做好， 无法在课堂上根据需要灵活改动,这削弱了学生 将 FluidSIM仿真软件弓丨人了液压与气动课程的教学中。 的主动参与性与创新性 H 。 作者为了提高学生的学习兴趣,
中通过电气回路控制液压和气动回路的自动运行。
液压、 气 动 回 路 相 配 套 的 电 气 控 制 电 路 图 1 在仿真过程
FluidSIM软件的元件库中包括了大部分常用的液压和气
库中拖到空白的绘图区域， 在元件的油口之间连接管路,
动元件， 在 新 建 的窗口中， 可以将需要的元件直接从元件 完成液压和气动回路图的设计[ '然 后 双 击 元 件 可 以 设 置 元件的工作参数,为系统仿真做准备。 配套的电气控制电路的绘制方法基本类似，需要注 意的是要使用电气回路 来 控 制 液 压 和 气 动 回 路 ,液 压 和
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
基于 FluidSIM 软件的液压与气动仿真教学研究
基于CFD的液压滑阀U形槽阀口的稳态液动力仿真研究
小，稳态液动力有所增加。
可见，液动力的理论计算关键是确定射流角
参考文献
θ1 、θ 2 和面积 A ，此处射流角 θ1 、θ 2 取流场计算所
［1］刘晓红，柯坚. 基于计算流体动力学解析的液压锥阀噪
得的角度数值大小。
声评价［J］. 中国机械工程，2007，18（22）：2687-2689.
结语
（3）
式中：c v 为速度系数值；θ1 为阀口的流束射流角数
值；θ 2 为阀口的流束射流角数值。
分，运用三维流体计算软件 STAR-CD 对 U 形槽液
压滑阀内流场进行求解，通过解析计算得到滑阀不
同阀口开度下稳态液动力的数值，结果表明：在该
U 形节流槽的流入和流出方向上，稳态液动力均使
阀口趋于关闭，流出方向的液动力要比流入方向大
［4］王银，孙泽刚，李开世. 液压锥阀空化流分析及阀芯结
构改进研究［J］. 机床与液压，2019（4）：79-81.
［5］王国志，吴文海，刘桓龙，等. 电液比例斜盘式轴向变量
柱 塞 泵 的 压 力 特 性 仿 真［J］. 机 床 与 液 压 ，2007（2）：
127-130.
［6］高飞，王磊，黄健康. 变压力液压系统动态压力建模仿
（2）流入节流槽方向
图 3 b）为流入该节流槽的控制体，根据分析，
可得稳态液动力计算公式为
F f = ρq v v1 cos θ1 - ρq v v 2 cos θ 2
4.2
［2］李辉，柯坚，刘晓红. 基于 CFD 的液压锥阀结构特性分
析［J］. 流体机械，2009（9）：33-36.
［3］石金艳，周会，史时喜. 负流量控制机构伺服阀参数对
基于Fluent液压阀流场的动态仿真及可视化研究
%
( & 0 .* !- ) ) & 0 .*
/ * * *
式中， -/ ’ . 是与结点 . 相连的节点数 . 是结点 . 的位移， 目， 0 .* 结点 . 与相连的节点 * 之间的弹性常数， 定义为 0 .* % 6 ) ! 1 -. ( -* 1 当边界结点位移己知时， 就可以用 <’-)5# 扫描算 法求解上述方程。得到收敛解后， 内部结点的位置被 更新。 当边界结点的位移相对局部网格的尺寸很大时， 网格的质量将变得很差。为避免这一问题， 3&%,*( 软
,
其中 ’ 和 ’ X 6 代表了一个时间序列， ’ 代表了当 ’ X 6 下一步的时间， 第 ’ X 6 个时间体积为 前步时间， " ’ #6 % " ’ # G" !! G!
G" ) G! 是控制体积的时间导数， 为了满足网格守恒定 律， 控制体积的体积时间导数为 G" % G!
*H ’+
,
*"
/ #6 ’. ’.
!
"#$%&’ 求解器选择
在 3&%,*( 软件中输入 4’$5#( 的网格模型后， 根据
实际情况对求解器作如下参数设定： G,H#*,+ $)G,&I + I)&J,K。设 定 采 用 非 耦 合 方 式。 LA 轴对称， 非稳态； G,H#*,+$)G,&I+J#I-)%I。选择粘度模型为紊流； G,H#*,+$)G,&I+,*,K/0。加入能量计算方程； G,H#*,+$’(,K#M&I。定义物质属性。选取油作为流 动力粘度为 OS 6T D’・I。 动介质， 其密度为 N1O P/ Q $R ， G,H#*,+5)%*G’K0 -)*G#(#)*I。定义边界条件： 入口 出口压力为 OS 6O62 ?D’。 压力为 OS 11L ?D’， G,H#*, + %I,K U G,H#*,G + H%*-(#)*I + -)$V#&,G。设 定通过 W9 X X 编程的阀芯运动方程 G,H#*, + G0*’$#- $,I. + V’K’$,(,KI。设置最大单 元体积为： OS 6L $$R ， 最小单元体积为： OS OOO 66 $$R 。
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基于FLUENT的液压滑阀仿真研究
1 3 指导老师：黄磊 答辩人：张晨阳 专业：机械设计制造及其自动化
2
3
论文框架
概述 滑阀的三维建模
CFD软件简介
滑阀的FLUENT分析
总结
概述
液压滑阀是流体传动与控制 技术中非常重要的基础元件, 其 作用是控制流体的流量及流动方 向，对滑阀的受力和工作过程进 行深入的研究就显得十分必要。 常用于液压装置中，使运动机构 获得预定方向和行程的动作或者 实现自动连续运转。 本课题研究的对象为液压滑 阀及其内部流道，分析液压油流 速及压力对液压元件的性能影响， 探讨其内在规律，为液压元件的 设计提供一定的理论支持。
液压滑阀在工业中的应用Fra bibliotek滑阀常用于蒸汽 机、液压和气压等装 置，使运动机构获得 预定方向和行程的动 作或者实现自动连续 运转。
滑阀的三维建模
图为三位 五通阀的 原理图
CFD软件简介
任何流体运动的动力学特性都是由质 量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定 律所确定的。这些基本定律可由数学方程 组（偏微分方程组或积分方程组）来描述， 如欧拉方程（Euler方程），纳维—斯托克 斯方程（简称N-S方程）等。利用数值方法 通过计算机求解描述流体运动的数学方程， 揭示流体运动的物理规律，研究定常流体 运动的空间物理特性和非定常流体运动时 的时—空物理特性，这样的学科称为计算 流体力学（简称为CFD）。
滑阀的FLUENT分析
分析过程
流道模型
流道模型
进油口
划分网格，定义边界
出油口
此图显 示网格质量。 由图可知， Lower+Upper= 0.7< 0.8, 说 明网格质量良 好。
在 FLUENT 中检查网格，由图 显示，minimum值极小且大于0， 说明网格完全符合标准。
迭代的初始 值 设 定 为 500步，收 敛图如图。
此图为速度矢量图，由图我们看出， 整个流道的速度矢量分布良好，比较流 畅，并没有涡流的产生，可以得到较高 的传递效率。
总结
本文对液压滑阀内部流场的湍 流现象有了一定的理性研究，熟 练掌握了 CFD 软件的模拟仿真方 法，通过对比液压滑阀模型的内 部流场的速度与压力分布，对滑 阀内部流场的影响因素有了一定 的了解，为今后指导设计获得更 好的液压滑阀阀芯及流道提供了 依据。鉴于本人学识和时间以及 计算机条件的限制，本文的工作 尚有许多不完善之处，敬请各位 老师批评指正。