浅议纯水三用阀阀口的流场仿真分析

    单体液压支柱从1973年由煤炭科学研究总院开始研制，到1978年在全国大力推广至今，经历了40多年时间逐步成为全国采煤工作面的主导。
    单体支柱有内注式和外注式两种：内注式单体液压支柱是靠油缸内装入的液压油在内部循环工作，这种支柱由于其内部结构复杂、初撑力小且不均匀、生产成本高、维修费用高、劳动强度大等缺点，除用于打点柱等用处之外一般不再使用，因此使用量很少。外注式单体液压支柱上设有三用阀，三用阀主要包括单向阀单元、卸载阀单元和安全阀单元，用它控制支柱的工作循环，首先靠乳化液泵站输出的压力液进行初撑，在顶板来压或卸载时，通过三用阀上的安全阀或卸载阀使乳化液泄到采煤工作面内，支柱下降，重复工作时，再用乳化液泵站的压力液进行初撑，依次循环，因此也源源不断地将乳化液泄到采煤工作面内。由此可见三用阀的工作过程也就是控制单体液压支柱的升柱、承载、回柱的工作过程。其中单向阀完成支柱的升柱和初撑，卸载阀完成支柱的回收，安全阀实现恒定不变的工作阻力并在支柱过载时保护支柱不致损坏。
    传统的乳化液污染严重、取用成本高，而纯水作为三用阀的工作介质具有清洁、安全、来源广泛、节省能源等特点，进行纯水三用阀的研究符合我国可持续发展的战略要求。
一、数学模型的建立
    三用阀中安全阀属于最容易破坏的部分，安全阀主要由阀座、阀针、阀垫、弹簧、弹簧座、调压螺丝等部分组成。为简化模型，主要对阀座与阀针开口处的流场进行数值模拟。
    根据阀针运动方程

    式中：m为阀针质量；
    F为弹簧预压缩力；
    B为阀针的粘性阻尼系数；
    k为阀口稳态液动力等效当量弹簧刚度。
    对不可压缩流体总压方程

    式中：p₀为总压强；
    p_s为静压强；
    u为流体的速度。
    在31.5MP_a的工作压力下，安全阀阀芯开口约求得x=0.24mm，安全阀阀口的结构简图见图1。其阀座进口直径d=2mm，阀针半径r=1.5mm，阀座和阀针开口处角度均为90°，流体在阀腔内的流动是三维紊流流动。
    边界条件的设定：
    （1）选取液压流动介质为纯水，其密度为998.2kg/m³，动力粘度为0.001Pa·s。
    （2）不考虑温度因素，设定其温度为恒温285K。
    （3）此模型中的雷诺数Re=12000远大于临界雷诺数Re，因而水流在阀内的流动状态主要是紊流，故采用k-^ε紊流方程进行计算。
    （4）流动模型设有两个边界条件，即入口压力和出口压力，入口压力为安全阀额定工作压力31.5MPa，出口压力为大气压。

二、网格划分及结果分析
    利用gambit的三维建模的方法，按照图1所示的结构参数建立阀座和阀针接触处的三维模型，计算网格的划分仍然由gambit程序生成，采用四面体单元生成非结构化网格。综合提高计算精度的要求和计算机性能限制两方面因素，采用四面体大小为0.1，最后几何模型划分为154030个四面体。见图2。

    通过菜单File→Export输出网格，这就是后面进行Fluent计算时需要的网格文件。

    选择耦合、隐式求解器，并设置边界条件和流体介质。设置好这些条件后，就可以给流场设定初始数值，给出总压强为101300Pa；X方向的速度为169.4366m/s，Y方向的速度为0；在100次迭代后，可以得出残差曲线图，看到速度、压力的计算都能收敛。依次可以输出此条件下的纯水安全阀内压力分布图见图3，速度矢量图见图4。

    为方便观察阀腔内部压力情况，根据阀内流动的对称性原理，取yO_z面（即x=0面）为观察面。并由Surface命令先创建该面。
    同时可以通过绘制XY曲线，来反映阀腔内壁压力变化，见图5所示。

    对计算结果进行分析可知：
    （1）水流经过阀针与阀座之间狭缝时，水流速度迅速增大，压力减小，紊流动能增大。
    （2）在阀针尖头处，水流开始进入安全阀喉径处，出现了负压。
    （3）尤其在阀座倒角处，水流方向发生变化时，流速最大，压力最低，出现了较大的负压。此处最容易发生气蚀。
    针对以上结论，可以寻求不同的阀座或阀针结构，如直接在倒角处加小直角，还有二级阀口结构，高压原则的阀口结构等等。通过对其做的流场仿真，比较其优缺点，发现在阀座的90°倒角靠近径端增倒0.3mm的圆角。并按上述方法重新建模仿真，可得新结构模型的压力图见图6。

    由图6可以看出，新结构负压明显减少，负压位置也下移，负压区域也有所变小。虽然倒小圆角不能直接解决气蚀问题，但可以有效降低负压，减少发生气蚀现象的可能性，降低对材料的高要求。对阀的设计有参考价值。
三、结论
    Fluent作为一种计算准确、界面友好、使用简单，可对阀内流场进行动态仿真，并据此分析流场特性与气蚀、噪声的关系，在安全阀开口开始端，出现最大的负压，最容易出现气蚀现象，再通过对不同结构的流场分析寻求优化的阀口结构形状，对安全阀座上的倒角处加车R=0.3mm的圆角可以有效降低流场内的负压，减小或避免纯水液压阀的气蚀及其噪声，这些研究对研制使用寿命长、性能优良的阀有重要的意义。

参考资料
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   盛敬超。液压流体力学[M]。北京：机械工业出版社，1980。
   王传礼，袁桂峰，叶献华。先导式纯水溢流阀的动态特性仿真[J]。煤矿机械，2007，28（4）：48-50。
   王艳珍，于兰英，柯坚，等。水压锥阀流场的CFD解析[J]。机械，2003，30（5）：20-22。
   王春行。液压伺服控制系统[M]。北京：机械工业出版社，1982。

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