一种组合式空气减压阀的流场特征分析方法，空气减压阀的流场特征是什么

摘要：为研究一种高减压比组合式空气减压阀的流场特征,基于计算流体动力学(CFD)方法,建立减压阀数值计算模型,针对两级阀体特征参数组合的典型工况进行仿真计算,研究减压阀流场参数分布,分析柱阀间隙和引气位置对流动状态和减压比影响。计算结果表明,组合式减压阀流场状态复杂,第一级柱阀间隙对于流动损失和局部参数分布有重要影响,两级阀分别通过总压损失和流速变化实现减压过程,通过合理的特征参数组合可获得较大减压比及其调节范围。

关键词： CFD 流动特征空气减压阀组合式计算流体动力学

空气减压阀是航空发动机控制系统必不可少的元件之一,在发动机控制系统气路中具有重要的应用[1]。小尺寸气路控制的高减压比减压阀,腔体一般为异形结构,几何流道复杂,流道可能包含收缩、突扩、缝隙等多种不同的几何形态,造成流动状态复杂多变。开展空气减压阀流场特性研究,对于提高空气减压阀的性能建模精度具有重要意义。

针对空气减压阀性能建模,国内外开展了较多的研究工作[2,3,4,5,6,7],这些研究以理论分析和试验研究为主,难以揭示流动细节和流场特性。随着CFD方法在液压、气动阀等元件流动仿真方面的应用,为减压阀内部流动详细分析和性能建模提供了支撑。陈阳等[8]采用有限体积阀对减压器动态特性进行仿真研究;高殿荣等[9]采用有限元方法对液压锥阀内部流场进行了数值仿真;高红等[10]采用RNGk-ε湍流模型开展了锥阀阀口的气穴流动过程的仿真计算;雷红霞等[11]采用商业软件开展了液压锥阀三维仿真计算;日本TETSUHIROT等[12]用涡量法对液压锥阀的内部轴向流动进行了数值仿真。此外,基于不同应用需求提出了多种高减压比空气减压阀构型并开展性能研究[13,14]。章序文等[15]对一种高压差的减压阀开展了数值模拟,分析了内部复杂流动现象。陈富强等[16]利用计算流体力学软件分析高参数减压阀内部流场压力分布,作为减压阀中孔板热分析的基础。这些工作针对性研究了减压阀的流动特征,但由于不同减压阀结构差异,流动特征分析不具有普适性。

为实现较大的减压比及其调节范围,采用多级阀组合是一个可行的选择[17],但高压使用环境以及几何组合带来的结构复杂度及调节参数增加,流动状态也更为复杂。本研究针对一种两级组合式减压阀,基于数值方法开展建模仿真,研究减压阀内部流场特性,为性能建模提供依据。

1、计算模型

1.1 几何模型

组合式减压阀在流道中设计两级减压装置,减压过程由第一级的柱阀和第二级的针阀串联完成。通过两级减压,实现较高的气流减压比,减压阀几何模型如图1所示。

图1几何模型

1.一级阀芯2.壳体3.混合腔4.二级阀芯

高压气流从减压阀入口A,经第一级柱阀芯体与壳体之间形成的间隙流动,压力损失后进入减压阀混合腔,再通过第二级针阀芯体与壳体之间形成的收缩-扩张通道,加速减压后由出口B排出。C为减压阀引气口,引出低压气流,作为减压阀的输出,用于控制下游供油活门的开度,以达在不同入口压力下调节供油量的目的。

减压阀的工作过程中,两级阀体均沿着水平方向运动。第一级柱阀芯体滑移时,与壳体端面配合产生间隙为Δx1的狭缝。气流经过狭缝流动时经历2次方向的垂直偏转,会造成较大的流动损失;第二级针阀阀芯的型面与壳体配合形成了“喉道”,引气点与喉道相对距离Δx2,通过针阀前后运动调整Δx2大小,以改变引气位置的流动速度和静压。

1.2 计算工况

根据组合式减压阀的结构特点和工作原理,主要控制参数为间隙Δx1和位置Δx2。针对2个参数组合的4个工况开展仿真计算,如表1所列。

2、数值建模

2.1 网格划分

根据组合式减压阀的几何流道特点,采用二维轴对称模型进行计算,通过几何剖分将流场划分结构化网格。由于第一级阀芯流动间隙几何尺寸较小气流参数变化剧烈,以及第二级针阀引气区域流速较高,对这些区域的网格进行加密处理。同时,在计算过程中,对流道的近壁面网格也进行自适应加密。通过划分,生成计算网格约13万,如图2所示。

图2计算网格

2.2 边界条件

根据减压阀几何构型和工作条件,设置计算模型边界条件,包含4种类型,如图3所示。

(1)压力进口条件:

阀体进口为压力进口边界条件,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算的初值,实际值根据流场迭代参数平衡确定;

图3边界条件

(2)压力出口条件:

空气减压阀的出口设置为压力出口边界,根据使用环境指定出口反压值;

(3)对称轴条件:

阀体几何对称轴设为对称轴边界条件,只需要在边界条件类型中进行声明,无需参数设定;

(4)壁面边界条件:

减压阀流道中固定壁面均指定为无滑移壁面边界条件。在研究稳态特性时,不考虑气流与壁面之间传热过程,壁面热流量为零。

2.3 控制方程与数值解法

流场控制方程取以积分形式描述的弱守恒型雷诺平均N-S方程。在任一边界控制体上,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→?——流动速度矢量

Γ——扩散系数

A????A→?——控制体表面矢量

Sφ——φ的源项

?V——控制体V的边界

基于有限体积法,采用与时间相关的耦合隐式解法求解控制方程。对控制方程中的扩散项和对流项分别采用二阶中心差分格式和二阶迎风格式离散。湍流模型选择RNGk-ε模型。

3、仿真计算与分析

针对表1中的工况开展仿真计算。减压阀进口压力1MPa,温度为288K;出口为环境大气条件。

3.1 典型工况流场

选取工况3为对象,根据仿真计算结果分析流场特征,图4～图6分别给出了对称面流场参数分布。

由图4的流场马赫数分布可以看到,高压气体经过减压阀流动过程中,经历了亚声速、跨声速以及超声速等不同速度历程。气流经第一级柱阀缝隙时,由于流道收缩速度增加到声速。在柱阀出口区域,局部流道扩张产生超声速流动,并在进入混合腔前通过激波后降为亚声速。阀混合腔中心区域为亚声速流动,而外侧区域流速很低。气流在针阀前端滞止后,绕流进入环形通道。在收缩-扩张的通道内,气流加速并在“喉道”位置达到声速,之后扩张通道中继续加速流动到超声速状态,最终排出到外部环境中。引气通道位于“喉道”之后,由于引气量小流速也低,接近滞止状态。

图4马赫数分布

图5显示了流场静压分布。总体上看,静压沿流动方向呈下降趋势。进口气流速度低,静压接近总压;气流在一级柱阀缝隙中流动时,由于流速增加和总压损失,缝隙中气流静压先减小,之后经过激波又增加到与混合腔压力相当。混合腔前端存在回流区,静压略有降低,而其他区域压力基本均匀分布。针阀前端气流滞止静压升高,在第二级针阀通道内,气流速度不断增加对应静压则持续减小。引气通道与针阀主流通道的静压基本一致。

图5静压分布

图6总压分布

根据图6所示流场总压分布,气流经过第一级柱阀间隙流动时产生较大损失,一方面是由于流动方向改变造成的转弯损失,另一方面局部超声速流动产生的激波也造成了损失。经过减压阀混合腔内掺混,进入针阀时总压分布已趋于一致。气流在针阀内流动时,仅有壁面附面层造成局部总压损失,主流总压基本不变。

结合图6和图5的总、静压参数对比分析,由于引气腔流量小,腔体内流动接近滞止,因此总、静压均接近该位置的针阀流道内主流静压,而显著低于主流总压。

上述流场参数分布表明,组合式减压阀的两级减压原理不同。第一级柱阀通过损失总压降低压力,而第二级针阀则通过增加流速降低取气位置的静压来实现减压过程。

3.2 间隙Δx1影响分析

为了进一步研究第一级间隙Δx1对流场的影响,图7对比了2个间隙状态局部参数分布。从参数分布看,不同间隙下,柱阀局部流场有明显的差异。当间隙Δx1为0.2mm时,阀体与壳体之间的间隙较小,通过几何配合形成了收缩-转弯-等直-扩张的局部几何流道。高压气流进入缝隙后向内汇聚过程中,几何轴对称流道面积减小,气流加速流动直至接近Ma2.0。此高速气流进入转弯段时,由于局部角度变化,以及在转弯区域产生的分离区影响,两侧均产生了斜激波,且激波在流道中相交,波后气流速度降到亚声速。之后气流在等直流道中重新加速到声速,并在混合腔较高压力作用下,于缝隙出口处产生斜激波,再进入混合腔流动。气流经第一级柱阀缝隙过程中,产生了激波、局部分离等复杂流动状态。当Δx1为0.8mm时,由于缝隙较大,在第一个转弯段流速较小,转水平流动后速度增加并在缝隙出口形成激波,相对于0.2mm的状态而言,其流态简单,且损失较小。

图7局部参数分布对比

从静压对比看,缝隙区域流态复杂,Δx1为0.2mm时静压变化大,在激波前后静压跃升,且因更大的转弯损失,以及分离、激波等现象造成了较大的压力损失,混合腔压力明显低于Δx1为0.8mm工况。

图8对比了不同柱阀间隙下的局部流线。可以看到,2种工况的流态基本相似,气流经过第一级柱阀后在混合腔向对称轴汇聚,流线向内偏转,在高速气流剪切作用下,混合腔中心靠近柱阀芯体区域产生了回转流动的涡流区。不同的是,在柱阀缝隙内,间隙Δx1为0.2mm时产生了局部分离,形成了较小的分离区。

图8局部流线对比

3.3 沿程压力对比

图9对比了2种间隙Δx1下的流道壁面压力。可以看到,在柱阀区域1流速低,静压p接近入口总压。气流经过区域2缝隙流动过程中,流速变化和总压损失等现象造成了压力陡降。又因加速流动和激波造成压力波动。进入混合腔后的区域3,压力基本保持不变。在针阀通道内,由于阀体前端局部流动滞止减速,静压略有升高,而后在收缩-扩张上的流道中持续加速,压力不断下降。

对比2个状态,显然,Δx1为0.2mm状态气流通过第一级柱阀后压力已经显著降低,之后沿程压力均低于0.8mm的状态。2个状态下第二级针阀中压力沿轴向的变化趋势接近,都有压力下降迅速段,因此减压阀方案中引气口设置在此区域即引气区,一方面可实现较大的减压比,同时当需要调节减压比时,由于此段压力变化梯度大,可减小针阀调节行程。

图9壁面压力对比

3.4 性能分析

不同工况下减压阀流量和减压比列于表2中。可以看到,Δx1的变化会影响减压阀的流量,而Δx2调整则不改变流量。这是由于Δx1变化时第一级柱阀的总压损失不同,以针阀“喉道”截面分析,根据流量平衡关系和计算理论,总压损失越大,能够通过减压阀的流量越小,因此Δx1为0.2mm的工况流量显著低于0.8mm工况。Δx2的改变只是引气点位置不同,并不改变针阀喉道参数,对流量没有影响。

计算结果表明4个工况的减压比各不相同。Δx1直接改变了气流的总压,Δx2的变化改变了引气相对位置,相当于取图9中引气区不同位置的压力。2个参数组合变化,共同改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减压比大约是工况3的4.2倍,由此可见,通过两级组合可实现较大的减压比及其调节范围。

4、结论

本研究采用计算流体动力学方法,对组合式减压阀流场进行了仿真计算,通过分析得到以下结论:

(1)组合式减压阀的流场状态复杂,包含了从亚声速到超声速的多种速度状态,以及激波、分离、回流等复杂流动状态;

(2)组合式减压阀的流场参数分布以及流量与第一级柱阀间隙Δx1有密切关系,间隙越小,则局部流动损失越大,流量越低;

(3)组合式减压阀两级减压原理不同,第一级柱阀通过总压损失实现减压,而第二级针阀则通过增加流速降低静压;

(4)特征间隙Δx1和特征位置Δx2组合,共同决定了减压阀的减压比。通过两者结合,可以实现较大的减压比调节。

分析结果表明,基于两级串联的组合式减压阀方案,是实现高减压比和较大调节范围的可行技术途径;本研究建立的数值方法,适用于组合式空气减压阀复杂流场参数仿真,也可为其他类型减压阀建模与仿真提供参考。