基于Fluent液压集成块内部流场数据仿真.pdf

第 6期 总第 1 8 7期 2 0 1 4年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEER1 NG 8 L AUToMATI ON NO ．6 De C ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 6 0 0 7 6 0 2 基于 F l u e n t 液压集成块 内部流场数据仿真 吴正坤 ，赵毅红 ，吕宵宵，黄博文 扬州 大学 机 械工程学院，江苏 扬州 2 2 5 1 2 7 摘要 针对工程 中的液压集成块 ，应用前处理软件 P r o ／ E建立其 内部流场 的三维模 型，应用 I C E M 对模 型进 行边 界条件设定及 网格划分 ，最后采用 F l u e n t 提供 的 一e湍流模 型对结构流场 进行 数值模 拟。通过对 流场 的分 析，找到 了液流在 集成块 内部流道产生能量损失的原 因，通过增大工 艺孔尺寸 、减少工 艺孔数 目和 直角 转弯结构等措施 ，可达到降低集成块 内部流道能量损失 的 目的，为集成块 内部结构优化提供 了理论依 据。 关键 词 集成块 ；F l u e n t ；流场 ；仿真 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 TP 3 9 1 ． 9 文献标识 码 A 0 引言 随着液压集成块在液压行业 的广泛应用， 提高液 压集成块在液压系统 中的能量利用率 已成为液压技术 发展的方向之一 。液压 系统的能量利用率低 ， 无功损 耗 比较大 ， 其中由于液压集成块结构设计不合理造成 的能量损失 占有较大的 比重。为提高液 压集成块性 能 ， 在实际工况下 ， 笔者主要分析液压集成块 内部流道 压力损失的原 因， 为集成块的优化设计提供依据[ 1 ] 。 1 液压 集成 块物 理模 型 的建立 本文以某工程中液压集成块中的一条流道 A～B 为例对其结构进行分析和优化。该流道由 7个管道相 交组成 ， 如图 1 所示。 2 流道油液流动模型 对于液压集成块管 内的三维流体流动 ， 流体为常 流状态， 液压集成块管内的液流特征通常为紊流[ 2 ] 。因 此 ， 流体 流 动 受 质 量 守 恒 定 律 和 动 量 守 恒 定 律 支 配 。 流体在直角管道转向处多数情况下 为湍流流动 ， 因此 受 ， c e 湍流模型控制 。 图 1 管网流道结构 1 质 量守 恒方 程 一 0 ． 1 dz oy az 其 中 p为流体密度； ， 和 W 为速度矢量在直角坐标 系中的 3个分量 。 2 动量 守恒 方程 Na v i e r - S t o k e s 方 程 十 十 一 叭 十 v - -十 十 ， 鲤 一 ， r 一旦 一 0 2 7 、 一 1 ap f 9、 u 十 十z ￡ 一了 十了 一 十一r 2 0 0 2 一r 2 十av z -z 一 P O r ’ L z a 。w ow． Ow W ， a0 W． 1 Dw 硼． 1 a W 2 7 J．a W 、 1 a 十 一 ‘ 一 十 一 十 一r 00 2 -- v- 十 av - z- J一 其 中 P为瞬时压力 ； Iz ， r 和 0为圆柱坐标 。 为 湍耗散 率 。 3 标 准 I --E 方程 一 譬 ． 3 其中 为经验常数 ， 这里取 一0 ． 0 9 ； 为湍动能 ； ￡ 3 边界条件及流场参数设置 在 F l u e n t 前处理软件 P r o ／ E中， 对流道 AB建 模 ， 再将建好 的模型进行网格划分 ， 生成 网格模型。使 用 o u t p u t 命令导出 l i u d a o ． ras h文件。本文主要涉及 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 8 ；修 回 日期 2 0 1 4 0 6 2 3 作 者简介 吴正坤 1 9 8 6 一 ，男 ，江 苏高邮人 ，在读硕士研究生 ，研究方 向机械制造及 自动化。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6期 吴正坤 ， 等 基 于 F l u e n t 液压集成块 内部 流场数据仿 真 7 7 以下边界条件 管道进 口定义为质量 入 口， 其值设为 0 ． 4 5 k g ／ s ； 管 道 出 口定 义 为 压 力 出 口， 其 值 设 为 1 2 MP a ， 其他面设置为固定壁面[ 3 ] 。在 F l u e n t 软件中， 导 人 l i u d a o 。 m s h文件。在求解器 中， 分别选择 S e g r e g a t e 分离式和 I mp l i c t 隐式的选项 ， 其他保持默认状态。设 置 液压 油密 度 为 9 0 0 k g ／ m。 ， 动 力黏 度 系数 为 0 ． 0 4 0 5 P aS ， 流 量 为 3 2 L ／ mi n ， 并 选 用 标 准 湍 流 模 型 和 S I MP L E算法对其进行数值求解 ] 。 4 仿 真结 果与 分析 4 ． 1 集成 块流 道 流场 分析 图 2为流道压力云图。液流在流经每一个直角转 弯时， 都会产生大约 0 ． 1 MP a的压力损失 ， 流道的进 出 口 i n l e t - o u t l e t 压 差 为 0 ． 7 2 3 MP a 。 因此 ， 直 角 弯 道结构形式 是该集成块 内部液 流压 力损失 的主要 因 素 。 图 2流 遭 压 力云 图 图 3为流道流线图。当液压油液在管网弯头 1 和 弯头 2处 ， 液压油液流动的方向呈现 的变化比较大， 液 压油液的流线在弯头处 出现收缩状态 ， 流线在管道 的 直角弯头的外侧较为集 中， 同时液压油液在管道转 向 内侧产生 了涡旋区。在涡旋区 内， 液压油液流动线路 状态较为疏散 ， 说明该处液压油液压力较低 ， 涡旋的中 心部位液压油液的流动速度几乎是零 ， 产生流动 的停 止区域， 液压油液流动需要克服停止区内液压油 的黏 性 力作 用 而消 耗能 量 。 由图 3中直角弯头 2处 可以看 出， 在转 向处 的工 艺孔容腔有满旋的产生 ， 涡流区域里面的油液做不规 则的运动 、 回流运动和碰撞 ， 其反 回来的液流与主流道 的油液掺合在一起 ， 进一步干扰了主流的流动， 从而导 致 系 统压 力 的损失 。 V e l o ci t y b a S t r ea ml in e 5 51 e 0 0 1 出 41 4 e O0 1 27 6 e 00 1 进 口流 线 0-。 0 m 0 ． 01 2 5 0 ． 03 7 5 图 3流 遭 流 线 图 4 ． 2 工 艺孔直 径对 管道 流场 的影 响 以管道工艺孑 L C为研究对象， 其直径分别设为 6 mm、 8 mm和 1 0 mm， 长度保持不变。在 F l u e n t 菜 单 r e p o r t中导 出进 口面上 的平均压 力， 结 合 出 口压 力 ， 计算 出工艺孔 C在不同直径下的进 、 出 口压差， 如 表 1 所示 。 表 1 工艺孔 c在不 同孔径 下的进 、 出 口压差 工艺孔 C直径 进 口压力 p i 出 口压力 户 。 压差 △p Pa P a P a 6 1 3 O 2 2 7 3 6 2 1 ． 2 1 0 z 1 0 2 7 3 6 2 8 1 2 7 2 3 7 8 9 1 ． 2 1 0 7 7 2 3 2 8 9 1 0 1 2 6 3 9 2 4 2 1 ． 2 1 O 6 3 9 2 4 2 由 表 1可 见 ， 工 艺 孔 C 孔 径 分 别 为 6 mm、 8 mm和 1 0 mm 时进 出 口压 差值 分别 1 ． 0 2 7 MP a 、 0 ． 7 2 3 MP a 、 0 ． 6 3 9 MP a ， 这 说 明 随着 管 径 的增 大 ， 液 压 油 液流 动趋 于平 稳 ， 压 力损 失减 小 。 图 4为不 同工艺孔径的管道流线图。从图 4中可 见 ， 工 艺孑 L 直径 对液 流特 性也 具有 一定 的 的影响 ， 工艺 孑 L 太小 ， 管 内流线非 常 密 集 ， 速 度 得 不 到充 分 发 挥 ， 从 而 形成 涡 流 。 a 孔径为 6衄 b 孔径 为 西8衄 c 孔径 为 1 0 m m 图 4 不同工艺孔径的管道流线 图 由图 4可见 ， 工 艺孔 C孔径分别 为 6 mm， 8 mm 和 1 0 mm时 ， 流道内的涡流随着孔径 的增大而 趋于减少或不明显。由此可知 ， 增大工艺孔直径可有 效改善液流流动的平稳性 ， 减少动能的损失 。 5 结 论 为 了减小液流的能量损失 ， 在设计液压集成块时 应尽量减少工艺孔数 目以降低产生涡旋的机率。另外 ， 下转第 8 O页 ■I 麟 ㈡ 墨繇醛龆■_ 7 7 7 7 7 7 7 7 O O 0 0 0 0 0 0 e e e e e e e e 7 6 6 4 3 2 1 0 2 2 2 2 2 2 2 2 1 i}【 ■_ 黜 避 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m