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1、基于Fluent的电磁阀阀体设计与仿真高鑫陈雪勇陈强贵州航天林泉电机有限公司摘要：电磁阀阀体是用于控制流路通断和气体流量的关键部件，通过计算得到流量控制口参考截面积值，建立阀体结构模型。抽取流道结构，使用fluent软件对芯轴不同开启行程的流道进行流体动力学仿真，得出一定条件下不同开启行程时气体秒流量值。通过对仿真结果进行分析，确立能够满足压力损失要求和流量要求的芯轴最小开启行程值，对阀体进行优化设计并计算出结构优化后的阀体流量系数。为电磁阀阀体的设计提供了重要的参考和依据。关键词：流量计算;Fluent流场仿真;结构
2、优化;流量系数计算;0引言由于流体均具有一定的粘性，在流道中流动过程中，其能量会有沿程损失和局部损失，表现为压力降低和流速下降11丄。岀入口角度、流道截面变化、流道角度变化、分支流道型式、流道长度、壁面粗糙度等因素均会对阻力系数产生影响,结构较复杂的电磁阀流量计算时，通常由于上述因素的影响，不能准确计算岀阻力系数，因而不易通过数值计算得到准确的压力损失和流量参数図。一般在完成产品设计和加工后，进行放气试验或流量试验测量电磁阀的压力损失和相关流量参数，然后重新进行阀体结构设计和优化，这导致阀类产品研制周期长、研制成本高［
3、3］。1工作原理电磁阀主要由阀体和电磁铁两部分组成，阀体主要包括阀体外壳、衬套、芯轴等零件。气体从阀体入口导入阀体，芯轴在电磁力的作用下运动，芯轴与阀体间形成流量控制口，气流经流量控制口后从阀体出口流出（如图1所示），电磁铁断电后芯轴在复位弹簧的推力下回到原位，气流通路被截断，阀体关闭。芯轴在电磁力和复位弹簧推力的作用下可在阀体内进行轴向来回运动，阀体与电磁铁配合以实现打开和关闭阀门气路的功能。2结构设计己知工作气体密度为1.79kg-m（二氧化碳气体），压强lOXIOPa。设计流量为0.250+0.01kg•s,压力
4、损失不大于0.5XlOPa。2.1流量计算阀体内部流量控制口可看成薄壁孔，根据不可压缩流体伯努利方程和流量方程U1，分别见公式（1）、公式（2）,通过转换可得到阀体流量控制口截面积计算公式。式中：hi入口位置水头，m;h°出口位置水头，m;hw损失的水头,m;Pi入口绝对压力;Pa;Po出口绝对压力;Pa;Vf流体在入口的流速，m-s;Vo流体在出口的流速，m・s;Pi流体在入口的密度，kg•m;P0流体在岀口的密度，kg•m;Q流体秒流量，m•s;A流量控制口而积，ni。假设Pi二PFP,则有令厶P=P-Po,一般情
5、况下阀体开启瞬间入口流速（VJ趋近于0,设流量系数为K.,、：流量系数与流道长径比、雷诺数（RJ、流体粘性、流场特征速度、壁面摩擦力以及流道内部结构等因素有关，由于结构较复杂，取初始流量系数Kf0.5,工作压力为1OMPa,设出口处压力为OMPa,则厶P二lOMPa,将数值代入公式（3）计算可以得到阀体流量控制口截而积参考值A二85.4mmo2.2阀体结构设计根据阀体通径要求、流量控制口参考截面积值（A）、阀体强度要求等因素，完成阀体结构设计，阀体结构主要尺寸如图1所示。图示位置芯轴处于中间位置,阀体气路导通，芯轴向左
6、运动流量控制口逐渐增大，当芯轴向左运动2.7mm后，流量控制口截面积达到最大125.7mm,由于屯磁铁给芯轴提供开启屯磁力，气隙越小对电磁铁越有利，因此对于决定芯轴开启行程的原则是满足气体流量和压力损失要求的前提下，尽量减小芯轴开启行程值。3流体动力学仿真与结构优化3.1流体动力学仿真抽取电磁阀流道结构模型，将电磁阀流道结构模型导入ANSYS仿真软件，利用Mesh模块划分CFD网格。设定芯轴开启行程(Lk)分别为1.2mm>1.7mm>2.2mm、2.7mm、3.2mm>3.7mm,抽取不同芯轴开启行程时流道模型并分别
7、进行流体动力学仿真，通过计算可知各开启行程下对应流量控制口截面积值见表lo表1阀芯开启行程与流量控制口截而积值对应表下载原表用Fluent模块进行流体动力学仿真，采用压力速度非耦合算法，选取标准K-Epsilon二方程模型[4,5],流体化学成分选择二氧化碳气体，密度为1.79kg•m,粘性系数为1.37X10kg•(m•s),入口气压设置为1.OX10Pa,出口气压设置为OPa,湍动能值取和湍流耗散率值取默认值，壁而粗糙度厚度取0.046M壁面粗糙度常数取0.5,进行模拟计算，得到各开启行程时气体秒流量如图2所示。图
8、2芯轴不同开启行程时二氧化碳秒流量仿真值下载原图当开启行程为1・7伽时(流量控制口截面积为理论参考截面积)，气体秒流量为0.183kg-s,小于流量设计值(0.250kg-s),说明在计算流量控制口截面积吋，流量系数预设值偏大，流道实际流量系数应小于0.5。根据图2可以看出，开启行程逐渐增大但小于2.7nnnZ前(流量控制口随着开
