择要：为研讨一种高减压比组合式氛围减压阀的流场特色,基于计较流体能源学(CFD)体例,成立减压阀数值计较模子,针对两级阀体特色参数组合的典范工况停止仿真计较,研讨减压阀流场参数散布,阐发柱阀空隙和引气地位对活动状况和减压比影响。计较成果标明,组合式减压阀流场状况庞杂,第一级柱阀空隙对活动丧失和部分参数散布有首要影响,两级阀别离经由进程总压丧失和流速变更完成减压进程,经由进程公道的特色参数组合可取得较大减压比及其调理规模。

关头词： CFD 活动特色 氛围减压阀 组合式 计较流体能源学

氛围减压阀是航空策念头节制体系必不可少的元件之一,在策念头节制体系气路中具备首要的操纵[1]。小尺寸气路节制的高减压比减压阀,腔体普通为异形布局,几多流道庞杂,流道能够或许包罗缩短、突扩、裂缝等多种差别的几多形状,构成活动状况庞杂多变。展开氛围减压阀流场特色研讨,对进步氛围减压阀的机能建模精度具备首要意思。

针对氛围减压阀机能建模,国际外展开了较多的研讨任务[2,3,4,5,6,7],这些研讨以现实阐发和实验研讨为主,难以揭露活动细节和流场特色。跟着CFD体例在液压、气动阀等元件活动仿真方面的操纵,为减压阀内部活动具体阐发和机能建模供给了支持。陈阳等[8]接纳无限体积阀对减压器静态特色停止仿真研讨;高殿荣等[9]接纳无限元体例对液压锥阀内部流场停止了数值仿真;高红等[10]接纳RNGk-ε湍流模子展开了锥阀阀口的气穴活动进程的仿真计较;雷彤霞等[11]接纳贸易软件展开了液压锥阀三维仿真计较;日本TETSUHIROT等[12]用涡量法对液压锥阀的内部轴向活动停止了数值仿真。另外,基于差别操纵须要提出了多种高减压比氛围减压阀构型并展开机能研讨[13,14]。章叙文等[15]对一种高压差的减压阀展开了数值摹拟,阐发了内部庞杂活动景象。陈强盛等[16]操纵计较流体力学软件阐发高参数减压阀内部流场压力散布,作为减压阀中孔板热阐发的根本。这些任务针对性研讨了减压阀的活动特色,但因为差别减压阀布局差别,活动特色阐发不具备普适性。

为完成较大的减压比及其调理规模,接纳多级阀组合是一个可行的挑选[17],但高压利用情况和几多组合带来的布局庞杂度及调理参数增添,活动状况也更加庞杂。本研讨针对一种两级组合式减压阀,基于数值体例展开建模仿真,研讨减压阀内部流场特色,为机能建模供给根据。

1、计较模子

1.1 几多模子

组合式减压阀在流道中设想两级减压装配,减压进程由第一级的柱阀和第二级的针阀串连完成。经由进程两级减压,完成较高的气流减压比,减压阀几多模子如图1所示。

图1几多模子

1.一级阀芯2.壳体3.夹杂腔4.二级阀芯

高压气流从减压阀进口A,经第一级柱阀芯体与壳体之间构成的空隙活动,压力丧失落后入减压阀夹杂腔,再经由进程第二级针阀芯体与壳体之间构成的缩短-扩大通道,加快减压后由出口B排挤。C为减压阀引气口,引出高压气流,作为减压阀的输入,用于节制下流供油生路的开度,以达在差别进口压力下调理供油量的目标。

减压阀的任务进程中,两级阀体均沿着程度标的目标活动。第一级柱阀芯体滑移时,与壳体端面配合发生空隙为Δx1的狭缝。气流颠末狭缝活动时履历2次标的目标的垂直偏转,会构成较大的活动丧失;第二级针阀阀芯的型面与壳体配合构成了“喉道”,引气点与喉道绝对间隔Δx2,经由进程针阀前后活动调剂Δx2巨细,以转变引气地位的活动速率和静压。

1.2 计较工况

根据组合式减压阀的布局特色和任务道理,首要节制参数为空隙Δx1和地位Δx2。针对2个参数组合的4个工况展开仿真计较,如表1所列。

2、数值建模

2.1 网格别离

根据组合式减压阀的几多流道特色,接纳二维轴对称模子停止计较,经由进程几多剖分将流场划散布局化网格。因为第一级阀芯活动空隙几多尺寸较吝啬流参数变更猛烈,和第二级针阀引气地区流速较高,对这些地区的网格停止加密处置。同时,在计较进程中,对流道的近壁面网格也停止自顺应加密。经由进程别离,天生计较网格约13万,如图2所示。

图2计较网格

2.2 边境前提

根据减压阀几多构型和任务前提,设置计较模子边境前提,包罗4品种型,如图3所示。

(1)压力进口前提:

阀体进口为压力进口边境前提,设定进入减压阀的气流总压、总温及静压。静压只作为流场迭代计较的初值,现实值根据流场迭代参数均衡肯定;

图3边境前提

(2)压力出口前提:

氛围减压阀的出口设置为压力出口边境,根据利用情况指定出口反压值;

(3)对称轴前提:

阀体几多对称轴设为对称轴边境前提,只要要在边境前提范例中停止申明,无需参数设定;

(4)壁面边境前提:

减压阀流道中牢固壁面均指定为无滑移壁面边境前提。在研讨稳态特色时,不斟酌气流与壁面之间传热进程,壁面热流量为零。

2.3 节制方程与数值解法

流场节制方程取以积分情势描写的弱守恒型雷诺平均N-S方程。在任一边境节制体上,标量φ的守恒方程写为:

ddt∫VρφdV+∫?Vρφu??dA?=∫?VΓ?φ?dA?+∫VSφdVddt∫VρφdV+∫?Vρφu→?dA→=∫?VΓ?φ?dA→+∫VSφdV

式中,ρ——流体密度

u????u→?——活动速率矢量

Γ——分散系数

A????A→?——节制体表面矢量

Sφ——φ的源项

?V——节制体V的边境

基于无限体积法,接纳与时辰相干的耦合隐式解法求解节制方程。对节制方程中的分散项和对流项别离接纳二阶中间差分格局和二阶顶风格局团圆。湍流模子挑选RNGk-ε模子。

3、仿真计较与阐发

针对表1中的工况展开仿真计较。减压阀进口压力1MPa,温度为288K;出口为情况大气前提。

3.1 典范工况流场

拔取工况3为工具,根据仿真计较成果阐发流场特色,图4～图6别离给出了对称面流场参数散布。

由图4的流场马赫数散布能够或许看到,高压气体颠末减压阀活动进程中,履历了亚声速、跨声速和超声速等差别速率进程。气流经第一级柱阀裂缝时,因为流道缩短速率增添到声速。在柱阀出口地区,部分流道扩大发生超声速活动,并在进入夹杂腔前经由进程激波后降为亚声速。阀夹杂腔中间地区为亚声速活动,而外侧地区流速很低。气流在针阀前端滞止后,绕流进入环形通道。在缩短-扩大的通道内,气流加快并在“喉道”地位到达声速,以后扩大通道中延续加快活动到超声速状况,终究排挤到内部情况中。引气通道位于“喉道”以后,因为引宇量小流速也低,靠近滞止状况。

图4马赫数散布

图5显现了流场静压散布。整体上看,静压沿活动标的目标呈降落趋向。进口气流速率低,静压靠近总压;气流在一级柱阀裂缝中活动时,因为流速增添和总压丧失,裂缝中气流静压先减小,以后颠末激波又增添到与夹杂腔压力相称。夹杂腔前端存在回流区,静压略有降落,而其余地区压力根基平均散布。针阀前端气流滞止静压降落,在第二级针阀通道内,气流速率不时增添对应静压则延续减小。引气通道与针阀支流通道的静压根基分歧。

图5静压散布

图6总压散布

根据图6所示流场总压散布,气流颠末第一级柱阀空隙活动时发生较大丧失,一方面是因为活动标的目标转变构成的转弯丧失,另外一方面部分超声速活动发生的激波也构成了丧失。颠末减压阀夹杂腔内掺混,进入针阀时总压散布已趋于分歧。气流在针阀内活动时,唯一壁面附面层构成部分总压丧失,支流总压根基稳定。

连系图6和图5的总、静压参数对照阐发,因为引气腔流量小,腔体内活动靠近滞止,是以总、静压均靠近该地位的针阀流道内支流静压,而较着低于支流总压。

上述流场参数散布标明,组合式减压阀的两级减压道理差别。第一级柱阀经由进程丧失总压降高压力,而第二级针阀则经由进程增添流速降落取气地位的静压来完成减压进程。

3.2 空隙Δx1影响阐发

为了进一步研讨第一级空隙Δx1对流场的影响,图7对照了2个空隙状况部分参数散布。从参数散布看,差别空隙下,柱阀部分流场有较着的差别。当空隙Δx1为0.2mm时,阀体与壳体之间的空隙较小,经由进程几多配合构成了缩短-转弯-等直-扩大的部分几多流道。高压气流进入裂缝后向内会聚进程中,几多轴对称流道面积减小,气流加快活动直至靠近Ma2.0。此高速气流进入转弯段时,因为部分角度变更,和在转弯地区发生的分手区影响,两侧均发生了斜激波,且激波在流道中订交,波后气流速率降到亚声速。以后气流在等直流道中从头加快到声速,并在夹杂腔较高压力感化下,于裂缝出口处发生斜激波,再进入夹杂腔活动。气流经第一级柱阀裂缝进程中,发生了激波、部分分手等庞杂活动状况。当Δx1为0.8mm时,因为裂缝较大,在第一个转弯段流速较小,转程度活动后速率增添并在裂缝出口构成激波,绝对0.2mm的状况而言,其流态简略,且丧失较小。

图7部分参数散布对照

从静压对照看,裂缝地区流态庞杂,Δx1为0.2mm时静压变更大,在激波前后静压跃升,且因更大的转弯丧失,和分手、激波等景象构成了较大的压力丧失,夹杂腔压力较着低于Δx1为0.8mm工况。

图8对照了差别柱阀空隙下的部分流线。能够或许看到,2种工况的流态根基类似,气流颠末第一级柱阀后在夹杂腔向对称轴会聚,流线向内偏转,在高速气流剪切感化下,夹杂腔中间靠近柱阀芯体地区发生了反转展转活动的涡流区。差别的是,在柱阀裂缝内,空隙Δx1为0.2mm时发生了部分分手,构成了较小的分手区。

图8部分流线对照

3.3 沿程压力对照

图9对照了2种空隙Δx1下的流道壁面压力。能够或许看到,在柱阀地区1流速低,静压p靠近进口总压。气流颠末地区2裂缝活动进程中,流速变更和总压丧失等景象构成了压力陡降。又因加快活动和激波构成压力动摇。进入夹杂腔后的地区3,压力根基坚持稳定。在针阀通道内,因为阀体前端部分活动滞止加快,静压略有降落,尔后在缩短-扩大上的流道中延续加快,压力不时降落。

对照2个状况,明显,Δx1为0.2mm状况气流经由进程第一级柱阀后压力已较着降落,以后沿程压力均低于0.8mm的状况。2个状况下第二级针阀中压力沿轴向的变更趋向靠近,都有压力降落敏捷段,是以减压阀计划中引气口设置在此地区即引气区,一方面可完成较大的减压比,同时当须要调理减压比时,因为此段压力变更梯度大,可减小针阀调理路程。

图9壁面压力对照

3.4 机能阐发

差别工况下减压阀流量和减压比列于表2中。能够或许看到,Δx1的变更会影响减压阀的流量,而Δx2调剂则不转变流量。这是因为Δx1变更时第一级柱阀的总压丧失差别,以针阀“喉道”截面阐发,根据流量均衡干系和计较现实,总压丧失越大,能够或许经由进程减压阀的流量越小,是以Δx1为0.2mm的工况流量较着低于0.8mm工况。Δx2的转变只是引气点地位差别,并不转变针阀喉道参数,对流量不影响。

计较成果标明4个工况的减压比各不不异。Δx1间接转变了气流的总压,Δx2的变更转变了引气绝对地位,相称于取图9中引气区差别地位的压力。2个参数组合变更,配合转变了减压阀的减压比。Δx1越小Δx2越大,则减压比越大,反之减压比减小。在4个工况中,工况2减压比约莫是工况3的4.2倍,因而可知,经由进程两级组合可完成较大的减压比及其调理规模。

4、论断

本研讨接纳计较流体能源学体例,对组合式减压阀流场停止了仿真计较,经由进程阐发获得以下论断:

(1)组合式减压阀的流场状况庞杂,包罗了从亚声速到超声速的多种速率状况,和激波、分手、回流等庞杂活动状况;

(2)组合式减压阀的流场参数散布和流量与第一级柱阀空隙Δx1有紧密亲密干系,空隙越小,则部分活动丧失越大,流量越低;

(3)组合式减压阀两级减压道理差别,第一级柱阀经由进程总压丧失完成减压,而第二级针阀则经由进程增添流速降落静压;

(4)特色空隙Δx1和特色地位Δx2组合,配合决议了减压阀的减压比。经由进程二者连系,能够或许完成较大的减压比调理。

阐发成果标明,基于两级串连的组合式减压阀计划,是完成高减压比和较大调理规模的可行手艺路子;本研讨成立的数值体例,合用于组合式氛围减压阀庞杂流场参数仿真,也可为其余范例减压阀建模与仿真供给参考。

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