许同乐

(山东理工大学机械学院，山东淄博255049)

    摘  要：通过对液压系统中液压阀块内分岔管进行数值分析，可以找到各分支管入口处形成漩涡的情况．由于流束内外流线均不能穿越流束表面，在分岔管的各分支管入口处就形成漩涡，分支管路中由于压力和速度较大，形成的漩涡比较大，漩涡强度也强，而主管道速度和压力小，漩涡也小，旋转强度较弱。由于有漩涡形成，则必然消耗流体的动能，而消耗的能量会产生噪声，能量消耗越大，产生的噪声也越大。根据计算和分析结果可以确定，在分岔管路的支管路上产生的局部能量损失占主要的部分，从而改进支管路以减少能量损失。

    关键词：数值分析；分岔管；流场

    中图分类号：THl37  文献标志码：A文章编号：1003—0794(2009)12—0027—03

XU Tong - le

(Mechanical Engineering School , Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract: Numerical analysis and simulation on the fluid flow on fork pipes in hydraulic block is

studied and whirlpools are found. Because streamline cannot turn and intersect, so whirlpools are

formed easily and large and strong in the inlet of the pipes. But whirlpools in main pipes are small and feebleness. Whirlpools causes energy loss and noise, and the whirlpools are larger and stronger, the energy loss and noise is more and larger. The study shows that energy loss in branch of pipe is main, so it is important to improve characteristic parameters of fork pipes.

Key words: numerical analysis; fork pipes; fluid flow

    分岔管在液压系统中应用非常广泛，当液体在分岔管道内部流动时，会产生能量损失。能量损失主要是由于黏性存在，而产生内摩擦力，以及分岔管道内侧存在粗糙度，使液体在回路中引起能量损失，是属于沿程阻力损失；当流体经过管节头如分岔管分岔处、弯头、阀门时，产生漩涡，在局部造成能量损失，称为局部阻力损失。局部阻力损失是造成漩涡的主要原因。根据流线本身所具有的特殊性质，使得流体在流经这些局部障碍处时，会使流体与管道壁产生分离，产生气穴，局部压力降低，随着流体的流动，这种分离消失，流体与管壁进一步附着。液体流动时产生的分离，就会使管道内部产生漩涡，加快压力降的速度，从而造成能量损失。

    有限体积法是将计算区域划分为一系列不重复的微小的控制体积，根据能量守恒方程，通过对流体运动的控制体积进行积分，构成积分型离散方程。它适用于仿真复杂形状边界(如分岔管、集成块内管路等)的流体运动。特点是有限体积法在网格比较粗的情况下，也能显示准确的能量守恒。

    定常、不可压缩流动的连续方程和运动方程的动量形式可以表示为
    质量守恒(连续方程)

    动量方程(Navier—Stokes方程)

2 k一ε模型的确立

    标准k一ε模型是工程中应用最广泛的一种双方程模型，它把紊流黏性与紊动能k和耗散率ε相联系，建立起它们与涡黏性的关系。

    标准的k一ε方程形式为

    紊流生成项

    式中C_u、C₁、C₂、σ_k、σ_e一一常数，取C_u=0.09，C₁=1.44，C₂=1.92，σ_k =1.0，σ_e=1.3。

    求解控制方程之前，必须把每个控制体的微分控制方程积分，再对控制方程的各个面离散，从而把控制方程写为代数方程的形式才能进行计算。以标量西的守恒输运方程为例．对每个控制体进行积分

    式中Γφ一一变量φ的耗散系数；

    Sφ一一单位体积内变量φ的源项。

    如果控制体有N_faces个面，把上述方程进一步离散写为

    式中N_faces一一包围控制体的面的个数；

    φ_f一一通过面f的φ值；

    V_f一一通过面f的质量流量；

    A_f一一面f的面积(二维中为边长)；

    (▽φ)_n——▽φ在面f上的法向分量；

    V——控制体体积。

    由于液压系统中分岔管道十分常见，所以对分岔管道流场进行数值计算，寻找分岔管道能量损失的机理，对设计合理的分岔管道结构意义重大。图1所示为某液压系统中的分岔管的结构简图。

    由于液体在分岔管道内流动，结构比较复杂，采用有限体积法对流动区域进行网格划分，如图2所示为分岔管的网格划分情况，在该区域内共有1268个单元，1499个节点，进行数值计算时，给定的条件为3个入口处速度分别为u₁=5m／s、u₂=6m／s、u₃=5m／s，出口处压力为一个大气压，即按p=0.1MPa计算。

    通过对分岔管道的流场进行数值计算，得到了可视的速度矢量图(见图3)、流线图谱(见图4)、压力轮廓图(见图5)。

    从图3、图4和图5可以看到3根分支管入口拐角处有不同程度大小漩涡存在，漩涡存在与流线性质有关，因为流线不能相交，也不能转折，流束内外流线均不能穿越流束表面，所以形成漩涡，并且各分支管路上由于压力和速度较大，形成的漩涡比较大．漩涡强度比较强，相对主管道上速度和压力小，而漩涡也小，漩涡强度比较弱，由于有漩涡存在则必然消耗流体的动能，而消耗的能量会产生噪声。能量消耗越大，产生的噪声也越大。根据计算和分析结果可以确定，在分岔管路的支管路上产生的局部能量损失占主要的部分，从而改进支管路以减少能量损失。

[1]许同乐．液压破碎锤内锥阀中流道流场的数值分析[J]．润滑与密封，2006(3)：105—107．

[2]王元汉有限元法基础与程序设计[M]．广州：华南理工大学出版社，2001．

[3]高殿荣，王益群．分岔管道流场有限元模拟与能量损失机理的分析[J]．机床与液压，2001(6)：34—35．

作者简介：许同乐(1965一)，山东临朐人，博士研究生，主要从事液压与控制方面的教学与研究，发表论文50余篇。