新型高压电-气伺服阀阀口气体射流数值研究

Numerical Simulation of Spool Orifice Gas Jet for Novel High PressureElectro-pneumatic Servo ValveYANG Gang GAO Longlong LI Baoren(FESTO Pneumatic Technology Centre，Huazhong University of Science&Technology，Wuhan 430074)Abstract：A novel voice coil motor direct-drive single stage high-pressure pneumatic servo valve is designed.And then the gas flowjet angle is investigated with numerical simulation，while the high-pressure gas flows through the valve orifce for the servo valve.Atpresent，many studies aboutflow force are concentratedmainlyonhydraulic valves，notonpneum aticvalves.Itisthe reasonthatthegas flow force acting on the spool of low-pressure pneum atic valve is less，owing to smal viscosity and density of low-pressure gas；besides the research on high-pressure pneumatic servo valve is seldom-reported SO far.However，the velocity of gas flow is up tosonic when high-pressure gas flows through the micro servo valve orifice.And therefore，the steady gas flow force，generated by highpressure and high speed gas flow，cannot be neglected and is an important disturban ce for the voice coil motor direct-drivehigh-pressure pneum atic servo valve.The jet angle for spool valve is usualy considered as 69。to calculate the steady flow force，whose prerequisite is two-dimensional，irrational，inviscid and incompressible flow.In this paper，the high pressure gas flows throughthe servo valve is 3D compressible flow.Consequently，the num erical simulation with computational fluid dynamics(CFD)is adoptedto analyze the internal flow filed andjet angles for the servo valve orifice with diferent valve openings.The simulation results arecompared with classical theoretical formula，the results demonstrate that the gas jet angle for the servo valve is more than 69。anddiferent with various spool openings。

Key words：High-pressure electro·-pneumatic servo valve Rectangle spool valve orifice Wal·-attached gas jetJet angle Num erical simulation0 前言气动技术因其工作介质为压缩空气，具有低成国家 自然 科 学 基金(50975102)和 国防 科技 十二 五 ”预 研(4010605020302)助项目。20120805收到初稿，20121220收到修改稿本、能源清洁无污染、易操作等优点而广泛应用于农业机械、自动化工业、交通运输、航空航天和国防军事等领域。目前关于低压气动技术的认识较成熟；高压气体由于功率大、相对于低压系统可有效改善系统动态性能与刚度，且有利于元件结构小型化及执行机构高速化，节什装空间，使得高压气168 机 械 工 程 学 报 第49卷第 2期ai-p6 6iI C2式中， 为流体应力张量， ，为Kroneker符号，： ，/1为气体动力黏性系数，叩为体积黏性系数(第二黏性系数)，根据 Stokes提出的假设有r/-2#3，I为单位张量。除去正应力中流体静压力部分得到黏性应力张量为 f，则可压缩牛顿流体的黏性应力本构方程即为广 - 1 f LV· (V·”) J-三 (V· )J (3)高压电.气伺服阀P口输入压力大，下游与上游压力比小于临界压力比，伺服阀内部气体流动达到声速甚至超声速状态，导致雷诺数较大，且流道复杂，本文采用三维湍流 RiNG s模型求解高压电-气伺服阀内部流场变化。根据质量守恒原理、牛顿第二定律、能量守恒原理，并将上述可压缩牛顿流体的黏性应力本构方程代入，可得其控制方程组如下。

气体状态方程PZpRT (4)连续性方程Opu ：o (5) a av az 、动量方程pu.Vu：- V( .1f) (6)能量方程pu·Ve-pV·lfV·( ) (7)绝热过程方程P/P c (8)式中，C为常数。

k方程 Ok ]，uS2 qa29)s方程O(peu)毒 )针 譬(1O)对于流场中心区域，雷诺数较高，采用式(9)、(1O)进行湍流计算，而在靠近壁面区域的流动，湍流发展并不充分，阀口附近区域气体射流近壁区采用壁面函数法进行流动计算16]。此时壁面上的湍动能 k的边界条件为Ok： 0 (11) ，0，z式中，n是垂直于壁面的局部坐标。

湍动能耗散率s可表示为C 。 k /L (12)式中 P--气体压力z--气体压缩因子p--气体密度- - 完全气体常数，R287 J/(kg·K)- - 气体温度lf--气流速度矢量Ux/ 体热导率- - 能量耗散函数- - 等熵指数，取 21.4胁--气体湍动黏度，IttpCdc%；- - 平均应变率张量口--当地气体声速- - 湍流特征长度， ，c --模型常数P--气体总能量寺 (Ux2Uy2Uz2)/2 (13)3 数值模拟与计算结果本文所研究高压电-气伺服阀几何模型及网格划分如图 5所示，包括不同阀口开度 0.1 rain、0.5InlTl、1.0 mm、1.5 mlTl，由于三维流道沿中心面对称分布，因此仅取-半区域进行流称算，提高计算效率。计算网格通过 CFD 前处理软件 Gambit2.4.4划分，采用结构化网格与非结构化网格相结合的方式，阀口处网格加密，提高计算精度，且阀套方形孔、圆孔与环形槽相接处采用非结构网格过渡加密方法，使得环形槽与阀体进出流圆管网格数量不致过多，以节势算时间，最终网格总数量达到300 000左右。流称算采用大型商业 CFD软件FLUENT进行数值求解，采用并行计算方法提高计算效率，求解器采用 Density Based，隐性算法Implicit，Steady等模型，湍流模型采用RNG k-e模型，近壁区采用标准壁面函数法 Standard WalFunctions处理方法， 模型常数 、Gl、C 分别取O.084 5、1.42、1.68。边界条件设定如下：进口为压力入口边界(20 MPa)，出口为压力出口边界(设定为大气压)，中心面为Symmetry，其余均为Wal172 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 2期形成高速气体射流，射流区域与周围气体动量交换现象剧烈，如图 4所示靠近矩形阀口侧壁 AB附近区域由于卷吸效应使得AB侧压力小于 CD侧，从而射流会发生-定程度的偏转，从而使得射流角较大。

(2)流入阀口气体射流角小于流出阀口气体射流角，尤其当阀口较小两者差距越大，这是因为当伺服阀阀口开度较小时，气体流经阀口时流速较高可达到声速，气体流出阀口射流充分发展区域对应阀套方孔深度 Z1大于阀芯径向长度 2，流入阀口声速气体射流受到阀杆阻挡作用，射流方向发生偏转，从而形成二次径向壁面射流，射流角有所减校由上述结果可得出高压电.气伺服阀阀口射流角与阀芯、阀套结构尺寸有关，数值模拟为高压电.气伺服阀的设计提供-定的参考依据。

4 结论(1)对于高压电.气伺服阀而言·，由于高压气体的可压缩性、阀口开度变化范围大、阀口处流速大等因素，导致伺服阀口处气体射流角的计算方法不能采用液压技术中理想滑阀射流为 69。的结论。

(2)经过数值模拟得到，高压电-气伺服阀阀口处射流角均大于 69。；阀口开度较大时射流角接近69。，而阀口开度越小，射流角越大，则稳态气动力越校(3)采用气体射流理论研究阀口高压气体射流特征，得出在小阀口开度情况下，高速气流流经阀口时发生声速、超声速气体附壁射流现象，形成气体附壁效应，因此小阀口开度时射流角较大。

(4)针对本文提出的高压电.气伺服阀，通过数值模拟得出，流入阀口时气体射流角小于流出阀口时射流角。