基于湍流理论的液压集成块流道仿真分析

◀海洋石油装备▶基于湍流理论的液压集成块流道仿真分析∗赵宏林１　代广文１　张开龙１　刘海军２　徐时贤１　罗建梅１（１􀆰中国石油大学（北京）海洋油气研究中心　２􀆰重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司）　　摘要：在集成块内部孔道连通时，为避免各流道之间发生干涉及减小压力损失，必须合理安排流道尺寸。鉴于出油口直径、工艺孔长度、工艺孔直径以及直角转弯长度等将对液压集成块的流道特性产生重要影响，运用ＡＮＳＹＳ／Ｆｌｕｅｎｔ模块对集成块内部三维孔道进行仿真和数值计算，通过仿真模拟得到了速度流线云图，并比较了不同出油口直径、工艺孔长度、工艺孔直径以及直角转弯长度对流道压力产生的影响，分析了造成压力损失的原因，得到了使流道压力损失最小的流道尺寸配比。研究成果为水下控制模块封装系统底盘上液压集成块通油孔优化提供了理论支持。关键词：液压集成块；流道尺寸；压力损失；仿真计算中图分类号：ＴＥ９５２　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０􀆰１６０８２／ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－４５７８􀆰２０１５􀆰０８􀆰０１７ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＨｙｄｒａｕｌｉｃＭａｎｉｆｏｌｄＢｌｏｃｋＦｌｏｗＣｈａｎｎｅｌＢａｓｅｄｏｎＴｕｒｂｕｌｅｎｃｅＴｈｅｏｒｙＺｈａｏＨｏｎｇｌｉｎ１　ＤａｉＧｕａｎｇｗｅｎ１　ＺｈａｎｇＫａｉｌｏｎｇ１　ＬｉｕＨａｉｊｕｎ２　ＸｕＳｈｉｘｉａｎ１　ＬｕｏＪｉａｎｍｅｉ１（１􀆰ＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌａｎｄＧａｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）；２􀆰ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＱｉａｎｗｅｉＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＥｎｇｉ⁃ｎｅｅｒｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ􀆰，Ｌｔｄ􀆰）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎｉｎｔｅｒｎａｌｃｈａｎｎｅｌｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｍａｎｉｆｏｌｄｂｌｏｃｋａｒｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄ，ｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｉｚｅｍｕｓｔｂｅｒｅａｓｏｎａｂｌｙａｒｒａｎｇｅｄｔｏａｖｏｉｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ􀆰Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉ⁃ｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｉｎｌｅｔａｎｄｏｕｔｌｅｔｄｉａｍｅｔｅｒ，ａｕｘｉｌｉａｒｙｈｏｌｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｑｕａｒｔｅｒｔｕｒｎｌｅｎｇｔｈｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｍａｎｉｆｏｌｄｂｌｏｃｋｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒ３ＤｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｉｎｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｍａｎｉｆｏｌｄｂｌｏｃｋｂｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ／Ｆｌｕｅｎｔｍｏｄｕｌｅ，ａｓｐｅｅｄｌｉｎｅｎｅｐｈｏｇｒａｍｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｉｍｕｌａ⁃ｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｉｓｍａｄｅｆｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｏｉｌｏｕｔｌｅｔｄｉａｍｅｔｅｒ，ａｕｘｉｌｉａｒｙｈｏｌｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｑｕａｒｔｅｒｔｕｒｎｌｅｎｇｔｈｏｎｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｃａｕｓｅｆｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ，ａｎｄａｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｉｚｅｒａｔｉｏｉｓｆｉｎａｌｌｙｏｂｔａｉｎｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｓｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｏｉｌｈｏｌｅｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｍａｎｉｆｏｌｄｂｌｏｃｋｏｎｐａｃｋａ⁃ｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃｈａｓｓｉｓｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ􀆰Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｍａｎｉｆｏｌｄｂｌｏｃｋ；ｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｉｚｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ０　引　言关于液压集成块流道，国内外已经有很多研究机构进行相关的研究。法国Ｇｒｅｎｏｂｌｅ机械学院的Ｃｈａｍｂｏｎ和Ｔｏｌｌｅｎａｅｒ把人工智能中的空间部署理论应用于液压集成块的设计［１－２］，英国巴斯大学进行过数字液压快速转换阀的研究［３］，除此之外还有其他相关研究［４－６］。国内北京自动化研究所、华中科技大学、天津大学和大连理工大学等也对液压集成块的设计制造进行过研究［７－１０］。但是关于出油口直径、工艺孔长度、工艺孔直径以及直角转弯长度的尺寸配比还没有明确的研究，为此，笔者基于湍流理论，利用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件中的Ｆｌｕｅｎｔ模块，通过正交试验方法分析多个因素对进、出口压力损失的影响，选出各个因素的最佳水平，以达到优化—８７—　　　　　　石　油　机　械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　　２０１５年　第４３卷　第８期∗基金项目：国家发改委２０１３年海洋工程装备研发及产业化专项“水下采油树研发及产业化”（发改办高计［２０１３］１７６４号）。液压油路的目的。１　模型建立１􀆰１　液压集成块流道的物理模型采用的流道三维模型如图１所示，其中空心箭头的指向为液流方向。由于流道需要钻孔得到，所以在进油口直角转弯结构处应有１２０°的锥角，但为了方便计算，此处将省略此锥角，这对模型计算影响不大［１１］。图１　流道结构示意图Ｆｉｇ􀆰１　Ｄｉａｇｒａｍｏｆｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　流道的尺寸参数如图２所示，Ｄｉ为进油口直径，Ｄｏ为出油口直径，Ｓ是进油口和出油口的直角转弯长度，Ｌ为工艺孔长度，Ｄ是工艺孔直径。图２　流道尺寸示意图Ｆｉｇ􀆰２　Ｄｉａｇｒａｍｏｆｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｉｚｅ１􀆰２　集成块典型流道的数学模型因在液压集成块内部的液流为粘性不可压缩流体，液流在直角管道转向处多数情况下为湍流流动，需要对方程组进行模型化，因此采用标准κ⁃ε湍流模型控制，其控制方程［１２］如下。连续性方程为：􀆟ρ􀆟ｔ＋∇（ρｕ）＝０（１）式中，ρ为流体密度，ｇ／ｃｍ３，ｔ为时间，ｓ，ｕ为瞬时速度，ｍ／ｓ。动量方程（Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ）为：􀆟（ρｕｉ）􀆟ｔ＋􀆟（ρｕｉｕｊ）􀆟ｘｊ＝－􀆟ｐ􀆟ｘｉ＋􀆟􀆟ｘｊμ􀆟ｕｉ􀆟ｘｊ－ρｕ′ｉｕ′ｊ———æèçöø÷＋Ｓｉ（２）式中，ｕ为瞬时速度，ｍ／ｓ，ｉ，ｊ＝１，２，３，ｐ为瞬时压力，Ｐａ，μ为动力黏度，Ｐａ·ｓ，ρｕ′ｉｕ′ｊ———为时均雷诺应力，Ｓｉ为动量方程的广义源项。标准κ⁃ε方程为：μｔ＝ρＣμκ２ε（３）式中，μｔ为湍动黏度，Ｃμ是经验常数，取值０􀆰０９，ε为湍动耗散率。湍流动能（κ）方程为：􀆟（ρκ）􀆟ｔ＋􀆟􀆟ｘｉ（ρκｕｉ）＝􀆟􀆟ｘｊéëêêμ＋μｔσκæèçöø÷􀆟κ􀆟ｘｊùûúú＋Ｇκ－ρε（４）　　耗散率（ε）方程为：􀆟（ρε）􀆟ｔ＋􀆟􀆟ｘｉ（ρｕｉε）＝􀆟􀆟ｘｊéëêêμ＋μｔσεæèçöø÷􀆟ε􀆟ｘｊùûúú＋εκ（Ｃε１Ｇκ－Ｃε２ρε）（５）　　方程（４）和（５）中Ｃε１、Ｃε２、σκ、σε均为经验常数，在Ｆｌｕｅｎｔ程序中推荐Ｃε１＝１􀆰４４，Ｃε２＝１􀆰９２，σκ＝１􀆰０，σε＝１􀆰３。连续性方程（１）在文中应用于求解所有流体下的瞬时速度。Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ方程（２）应用于求解在层流运动下的瞬时速度，而方程（３）～（５）则用于求解湍流运动下湍动黏度、湍流动能和湍流耗散率。上述公式及参数值将不直接进行计算，而是应用于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中进行计算。２　参数设定和数值计算利用软件Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的Ｆｌｕｅｎｔ模块进行计算，液流密度ρ＝９００ｋｇ／ｍ３，动力黏度μ＝０􀆰０４５ｋｇ／（ｍ·ｓ）。设定进口速度ｖ＝５ｍ／ｓ，出口压力ｐ＝０，并假定进油口液流为充分发展流，垂直于进油口液流流速方向上的速度为０。利用正交试验方法，分析进油孔直径为定值的情况下，４种因素（出油口直径Ｄｏ、工艺孔长度Ｌ、工艺孔直径Ｄ、直角转弯长度Ｓ）的５种水平组合对进＼出口压力损失的影响，设定Ｄｉ＝１０ｍｍ，Ｌ＝ｘＤｉ（ｘ＝２、３、４、５、６），Ｄ＝ｘＤｉ（ｘ＝０􀆰５、０􀆰８、１􀆰０、１􀆰２、１􀆰５），Ｓ＝ｘＤｉ（ｘ＝０􀆰５、１􀆰０、１􀆰２、１􀆰５、２􀆰０），Ｄｏ＝ｘＤｉ（ｘ＝０􀆰５、０􀆰８、１􀆰０、１􀆰２、１􀆰５）。表１是进行２５组仿真模拟后得—９７—２０１５年　第４３卷　第８期赵宏林等：基于湍流理论的液压集成块流道仿真分析　　　　　　到的压力损失值的正交试验表。表中括号内数字是各因素水平数。表１　正交试验表Ｔａｂｌｅ１　Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ试验标号Ｌ／ｍｍＤ／ｍｍＳ／ｍｍＤｏ／ｍｍｐ／（１０５Ｐａ）１２０（１）５（１）５（１）５（１）７􀆰８３７０２２０８（２）１０（２）８（２）１􀆰２４９０３２０１０（３）１２（３）１０（３）０􀆰６００６４２０１２（４）１５（４）１２（４）０􀆰３５９０５２０１５（５）２０（５）１５（５）０􀆰２５９９６３０（２）５１０１０３􀆰７５５０７３０８１２１２０􀆰７２９９８３０１０１５１５０􀆰３４５７９３０１２２０５４􀆰７９１０１０３０１５５８０􀆰８５４５１１４０（３）５１２１５３􀆰９６５０１２４０８１５５５􀆰２１４０１３４０１０２０８１􀆰００３０１４４０１２５１００􀆰５０７４１５４０１５１０１２０􀆰３４２６１６５０（４）５１５８４􀆰９２５０１７５０８２０１００􀆰９７４６１８５０１０５１２０􀆰４８７１１９５０１２１０１５０􀆰２９７５２０５０１５１２５４􀆰７７７０２１６０（５）５２０１２４􀆰７８６０２２６０８５１５０􀆰８４０７２３６０１０１０５４􀆰８８４０２４６０１２１２８０􀆰９３０１２５６０１５１５１００􀆰４６４１３　仿真结果与数值分析３􀆰１　因素影响分析通过Ｆｌｕｅｎｔ模块对正交试验表中的数据进行仿真模拟，可以得到不同进、出口压力损失值（见表１）。对所得仿真结果进行整理计算，便可得出各因素水平的进、出口压力损失平均值（见表２），并绘制出其因素与进、出口压力损失趋势图（见图３～图６），从而总结压力损失的规律。通过观察速度流线图（见图７～图１１），可以从原理上了解规律的由来。图７～图１１中的Ｄｉ对应图１中进油口流道的部分长度，其直径为定值，只是随图片调整看似不同。表２　各因素水平进、出口压力损失平均值Ｔａｂｌｅ２　Ａｖｅｒａｇｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　　　ｉｎｌｅｔａｎｄｏｕｔｌｅｔｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｆａｃｔｏｒｓ影响因素压力损失ｐ／１０５Ｐａｋ１ｋ２ｋ３ｋ４ｋ５工艺孔长度Ｌ＝ｘＤｉ２􀆰０６１１２􀆰０９５２２􀆰２０６４２􀆰２９２２２􀆰３８１０工艺孔直径Ｄ＝ｘＤｉ５􀆰０５３６１􀆰８０１６１􀆰４６４１１􀆰３７７０１􀆰３３９６直角转弯长度Ｓ＝ｘＤｉ２􀆰１０５３２􀆰１０５６２􀆰２００５２􀆰２６１６２􀆰３６２９出口直径Ｄｏ＝ｘＤｉ５􀆰５００６１􀆰７９２３１􀆰２６０３１􀆰３４０９１􀆰１４１８图３　工艺孔长度对进、出口压力损失影响结果Ｆｉｇ􀆰３　Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｕｘｉｌｉａｒｙｈｏｌｅｌｅｎｇｔｈｏｎ　　　ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｏｆｉｎｌｅｔａｎｄｏｕｔｌｅｔ图４　工艺孔直径对进、出口压力损失影响结果Ｆｉｇ􀆰４　Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｕｘｉｌｉａｒｙｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｎ　　　ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｏｆｉｎｌｅｔａｎｄｏｕｔｌｅｔ　　由图３可知，进、出口的压力损失基本上与工艺孔长度成正比例关系，因为工艺孔长度从Ｌ＝２Ｄｉ增加到Ｌ＝６Ｄｉ，工艺孔流道主要增加的是层流运动区域，而层流运动压力的损失与断面的平均流速一次方成正比［１３］，增加的层流运动区域中流体的速度变化很小，因此此时在工艺孔长度的影响下，进、出口压力的损失成正比例变化。在图４中可以看到，工艺孔直径从０􀆰５Ｄｉ增加到Ｄｉ过程中，进、出口压力损失变化为３􀆰５８９５×１０５Ｐａ，而直径从Ｄｉ—０８—　　　　　　石　油　机