基于CFD的机械随动调节高度控制阀数值仿真.pdf

第4 8 卷第2 期2024年2 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.023基于CFD的机械随动调节高度控制阀数值仿真液压与气动Chinese Hydraulics&PneumaticsVol.48 No.2February.2024周耀兵，严伊豪，高隆隆，李宝仁2（1.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉4 3 0 0 6 4；2.华中科技大学机械科学与工程学院FESTO气动中心，湖北武汉、4 3 0 0 7 4）摘要：机械随动调节高度控制阀是列车悬挂控制装置的核心部件，其性能的好坏直接影响系统能否稳定工作。在设计过程中，采用CFD对其进行仿真计算，通过对其流场特性的分析，可以验证其流量特性是否满足系统需求。针对机械随动调节高度控制阀内部气体流动特性，建立了机械随动调节高度控制阀流场仿真模型，利用Fluent分析了机械随动调节高度控制阀阀口在不同开度下的流场特性，研究结果为机械随动调节高度控制阀流量性能指标试验提供理论支撑。关键词：CFD；机械随动调节高度控制阀；流场；数值模拟中图分类号：TH138Numerical Simulation of Mechanical Follow-up Height ControlZHOU Yao-bing,YAN Yi-hao,GAO Long-long,LI Bao-ren?(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan,Hubei 430064;2.FESTO Pneumatics Centre,School of Mechanical Science&Engineering,Huazhong University of Science&Technology,Abstract:Mechanical follow-up height control valve is the core component of train suspension control device,andits performance directly affects the stable operation of the system.At present,its flow characteristics are mainlyverified by experiments.In view of this situation,a simulation calculation method using CFD is proposed.Formechanical servo regulating height control valve internal gas flow characteristics,mechanical servo regulating heightcontrol valve simulation model is established,using the finite element simulation software analyzed the mechanicalservo adjusting the level control valve of the opening of the valve opening in different mean field features,theresults of mechanical servo regulating height control valve flow performance test to provide theoretical support.Key words:CFD,mechanical follow-up height control valve,the flow field,the numerical simulation引言气动技术是以压缩机为动力源，以压缩气体为工作介质，进行能量传递和信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。气动技术由于快速性好、结构简单、使用维护方便，在民用和国防等工业部门得到广泛应用。随着列车行车速度的提高，轨道高低不平顺造成的轮对跳动加剧,对乘车舒适性造成不利影响 2 。为了解决这些安全问题，在车体和转向架之间安装悬挂8文献标志码：B文章编号：10 0 0-4 8 58(2 0 2 4)0 2-0 18 4-0 5Valve Based on CFDWuhan,Hubei 430074)控制装置，其核心部件就是机械随动调节高度控制阀 3 。机械随动调节高度控制阀其本质是流量调节阀，由阀体、阀芯、阀套、套筒、端盖、偏心轮等部件组成，实现了根据载荷的变化调节车体高度的目标。机械随动调节高度控制阀状态的好坏，将直接影响到空气弹簧的正常工作,其中流量特性在其性能要求中尤为收稿日期:2 0 2 3-0 6-3 0作者简介：周耀兵（19 8 1一），男，湖北武穴人，高级工程师，硕士，主要研究方向为船舶系统设计。修回日期：2 0 2 3-0 7-172024年第2 期重要。而目前流量特性主要是通过实验验证。张广世等 4 根据机械随动调节高度控制阀的工作原理建立了力学方程和气体流量方程，并研究了机械随动调节高度控制阀的结构参数如阻尼、杠杆比以及节流面积等对其性能的影响,最终得到了机械随动调节高度控制阀特性与其结构参数的关系式。张新宇 5 建立了机械随动调节高度控制阀的数学模型，分析了机械随动调节高度控制阀内部的节流结构对充排风流量特性的影响，并对比了仿真计算和试验结果。目前对其流量特性的理论研究主要集中分析和研究其Simulink的数学模型,很少有通过CFD的方式对其进行数值模拟。随着计算机技术的发展和计算流体力学理论的深入研究,采用CFD方法研究阀门流场特性已在许多方面获得与实验基本一致的效果 6 ,包括阀门流噪声 7 、稳态和振动分析 8-9 、稳态气动力 10 等。因此针对这一问题，采用CFD数值模拟方法对其内部流场进行仿真分析可为其优化设计提供理论基础-14 1机械随动调节高度控制阀工作原理图1为所设计的机械随动调节高度控制阀的结构简图。1.排风口2.阀体3.阀芯4.阀杆5.阀套6.阀座7.出风口8.端盖9.供风口图1机械随动调节高度控制阀原理示意图Fig.1Principle diagram of mechanical follow-upheight control valve当轨道列车载荷增加时，空气弹簧压力增加，体积减小，进而列车高度降低，带动机械随动调节高度控制阀的阀杆4 旋转,进而通过偏心轮带动阀芯3 顶开阀座6,同时其顶端与阀座6 压紧,压缩空气通过供风口进入空气弹簧，进而实现对空气弹簧充气，使得空气弹簧压力升高，体积膨胀，推动列车高度回升，直到阀杆4重新回中位，充气过程结束。液压与气动当轨道列车载荷减少时，空气弹簧压力减小，体积增大,进而列车高度升高，带动机械随动调节高度控制阀的阀杆4 旋转，进而通过偏心轮带动阀芯3 脱离阀座6,同时阀套5顶端与阀座6 压紧,压缩空气通过空气弹簧排出,进而实现对空气弹簧排气,使得空气弹簧压力下降，体积减小，使得列车高度回落，直到阀杆4重新回中位，排气过程结束。2CFD仿真计算通过对机械随动调节高度控制阀阀口进行流场仿真分析，可以直观的认识其压力、速度、流线等云图以及进出口流量等重要参数，并可以通过仿真分析对其在工作过程中可能出现的问题进行预测以此指导和优化其结构。本研究主要利用CFD仿真软件Fluent对机械随动调节高度控制阀进行内部流场仿真分析。对机械随动调节高度控制阀在阀口开度为-9.5,-7.5,-5.5,-3.5,-1.5,1.5,3.5,5.5,7.5,9.5的工况分别进行静态流场仿真。以下以机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时为例，进行仿真分析。2.1几何建模9为分析阀口位置的流动以及其出口流量，对其内8部流体流道进行抽取，从而得到其初步的流道模型经7654321185过简化处理，机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时其初步流道模型，如图2 所示。图2 机械随动调节高度控制阀阀杆角度9.5流道模型Fig.2Flow channel model of valve stem angle of9.5 of mechanical follow-up height control valve2.2网格划分使用Fluent Mesh模块进行网格划分,在此模型中，机械随动调节高度控制阀阀口附近的流道为最小截面流道，其最为关键，其网格应重点划分，因此设置网格划分方法以Curvature（自适应）和Proximity（缝186隙）方法生成面网格，并以Ploy-hexcore（多面体一六面体核心）网格生成体网格，其具有更高的网格精度，并能减少6 0%的网格数量。如图3 即为机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时流道模型的网格划分结果。设置其边界条件，在其中定义压力人口和压力出口，其余面的边界条件为墙面。在机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时的机械随动调节高度控制阀流道模型中，网格数量约3 0 8 万个，其最大歪斜率为0.59 4 6，确保了良好的网格质量。图3 机械随动调节高度控制阀阀杆角度9.5流道模型的网格划分结果Fig.3 Meshing results of flow channel modelcorresponding to valve stem angle of 9.5 ofmechanical follow-up height control valve2.3Fluent 仿真分析以下对模型求解过程中相对重要的参数设置进行具体说明。1）求解器的选择在Fluent中给出了3 种求解方法：压力基隐式求解、密度基隐式求解以及密度基显式求解。压力基求解器的求解方法是从原来的分离式求解器发展而来的，其会按顺序依次求解动量方程、压力修正方程、能量方程和组分方程及其他标量方程,如端流方程等,在密度基求解器中是没有的。本研究的机械随动调节高度控制阀选择压力基求解器,其特性能够更好的满足阀口流动模型的求解要求。2）流动模型的选择Fluent提供的流动模型有：Inviscid无黏模型、Laminar层流模型、S-A单方程流摸型、k-双方程模型、k-双方程模型及雷诺应力模型等 15在本研究的阀口数值模拟中，作以下假设：液压与气动（1）流体流动完全为湍流；（2）分子黏性影响可以忽略。k-epsilon双方程模型,是在单方程模型瑞流动能K的基础上,再引人一个有关流动耗散率的方程，其标准工况占内存小，收敛性好适用于可压缩或不可压缩完全瑞流流动。根据本研究流场分析的实际特点，本研究的流动模型选择此RNGk-s模型。3）流动介质的选择在工作过程中流动的介质为空气，且只有这一种介质，故此为单相流，且气体是可压缩介质，所以本研究选择理想气体作为流动介质。4）边界条件的设置在机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时，即排气过程中，其边界条件：压力人口边界设定为1MPa（表压）,压力出口边界设定为大气压。除所设置的进出口外均为Wall 边界，且由于气流速度大,故忽略其内部气体与外界的热交换，则壁面设定为绝热壁面，壁面边界为无滑移速度边界。5）求解算法的选择本研究在求解算法方面选择的是SIMPLEC算法，是基于SIMPLE算法的改进算法之一，以保证较好的收敛的效果。1.52E061.44+061.36e+061:28Be+061.20e+061.12e+061:D4e+069.60e+058.80e+058.01e+057.22e+056.42e+055.68e+054:84e+054:04e+053.25e+052.46e+051.66e+058.69e-+047.55e+03-7.18e+04图4 机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时压力云图Fig.4Pressure nephogram of flow channel modelcorresponding to valve stem angle of 9.5 ofmechanical follow-up height control valve3仿真结果分析分析图4 机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时压力云图可知，在经过阀口之前流道内压力符合设置的进口压力1MPa，在经过机械随动调节高度控制阀阀口时，由于阀口通流面积的原因压力降低第4 8 卷第2 期2024年第2 期0.3MPa左右，流道模型的整体压力分布较为稳定，阀口位置产生了一定程度的涡旋。分析图5机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时速度云图可知，在经过阀口之前流道内速度状态分布均匀，在经过机械随动调节高度控制阀阀口时，由于阀口通流面积的原因速度有大幅度上升，并在随后至压力出口过程中有明显的速度梯度。ntour-1elocity Mognitude5.69e4025.4164025-12e4024.55e+024.84e4024.27e+023.9e-4023.7De+023.42e4023.13e+022.85e4022.56e+022.28e+021.99e+021.7104021.42e+021.140+028.54e+015.69e4012.85e401m/l0.00400图5机械随动调节高度控制阀阀杆角度为9.5时速度云图Fig.5 velocity nephogram of flow channel modelcorresponding to valve stem angle of 9.5 ofmechanical follow-up height control valve机械随动调节高度控制阀阀杆不同角度流经机械随动调节高度控制阀阀口的气体流量仿真结果如下表1、表2 所示。表1机械随动调节高度控制阀阀杆不同角度时流经阀口供气流量及阀芯位移Tab.1Valve port air supply flow and spool displacementat different angles of valve stem of mechanicalfollow-up height control valve高度杆转角/(）阀芯位移/mm供气流量/Lmin*11.50.093.50.215.50.347.50.459.50.57根据表1与表2 的数据绘制机械随动调节高度控制阀阀口流量曲线如图6 所示，图中Min，M a x 分别为液压与气动在空气悬挂系统中机械随动调节高度控制阀实际工作要求最小、最大流量曲线，可以看出机械随动调节高度控制阀阀杆在不同转角下的阀口流量符合规定的范围内。表2 机机械随动调节高度控制阀阀杆不同角度时流经阀口排气流量及阀芯位移Tab.2Valve port air exhaust flow and spool displacementat different angles of valve stem of mechanicalfollow-up height control valve高度杆转角/(）阀芯位移/mm排气流量/Lmin=1-1.5-0.09-3.5-0.21-5.5-0.34-7.5-0.45-9.50.57600仿真Min500-Max400300200100-10-5图6 机械随动调节高度控制阀阀口流量仿真曲线Fig.6Valve port flow simulation curve ofmechanical follow-up height control valve4结论（1）本研究提出了机械随动调节高度控制阀流量42.14试验仿真方案，可对试验结果进行预测；45.64（2）本研究以机械随动调节高度控制阀阀杆开度为9.5为例对机械随动调节高度控制阀阀口流量进60.35行了数值模拟，并对其压力云图和速度云图进行了104.10分析；536.71（3）本研究对机械随动调节高度控制阀的结构设计和优化以及控制特性的改善具有一定的指导意义。参考文献：【1朱清山.高压气动技术的研究发展概况 J.机床与液18743.5345.0663.19108.37542.6205阀杆角度()10188压,2 0 10,3 8(12):10 1-10 3,10 0.ZHU Qingshan.Research and Development Survey of High-pressure Pneumatic Technology J.M a c h i n e T o o l&Hydraulics,2010,38(12):101-103,100.2张振超,郭宗斌，马永喜，等.非延时型高度阀性能及相关问题分析 J.液压与气动,2 0 2 0，（5）：17 9-18 3.ZHANG Zhenchao,GUO Zongbin,MA Yongxi,et al.Non-delay Leveling Valve Performance and Related ProblemsAnalysis J.Chinese Hydraulics&Pneumatics,2020,(5):179 183.3金哲，余欲为，韩晓辉.高度阀工作原理及检测方法 J.铁道机车车辆,2 0 11,3 1(5）：151-154.JIN Zhe,YU Yuwei,HAN Xiaohui.Principle and TestingMethods of Leveling Valve J.Railway Locomotive&Car,2011,31(5):151-154.4张广世,郭荣生.延迟型高度阀特性参数的研究 J.铁道车辆,2 0 0 6,(2):1-4,4 5.ZHANG Guangshi,GUO Rongsheng.Research on theFeature Parameters of the Retard Type Leveling Valve J.Rolling 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