某型号电磁阀内流场仿真分析

1 引言

电磁阀是用电磁控制的设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器。用在控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他参数。对电磁阀内部流体进行仿真，能够形象地观察到电磁阀工作过程中内部结构所承受的压力变化，和不同位置处的速度矢量，进出口流量变化等。文中的某型号电磁阀是用于飞机上PDU和WTB的掉压制动和供压解除制动的功能控制中，当高升力系统处于工作状态时，电磁阀供电后释放制动器；当高升力系统处于静止状态时，电磁阀掉电后制动器制动。用于PDU或WTB上的电磁阀是两位三通式常闭型电磁阀。本文主要基于ANSYS软件中的Fluent模块，对电磁阀模型的通电，断电状态进行仿真分析，来判定进出口流量大小是否满足需求。

2 有限元模型的建立

2.1 几何模型

电磁阀由1（外阀座）、2（阀座）、3（内阀座）、4（端盖）、5（线圈）、6（调整垫片）、7（静衔铁）、8（电连接器）、9（弹簧）、10（隔磁环）、11（动衔铁）、12（顶杆）、13（同轴密封）、14（钢球）和15（密封圈）等组成。结构如图1所示。

本文主要关注由阀座、内阀座、外阀座、顶杆和端盖构成的封闭区域，分析流体在封闭区域内的流量特性和压力特性，计算进出口流量大小。图2为流体经过封闭区域的剖面图。

2.2 有限元模型

在通电、断电状态下，将特种液压油经过的区域提取出来作为内流场分析的计算域，计算域模型如图3，图4所示：

2.3 网格的生成

将计算域划分四面体非结构网格如图5所示。断电状态四面体单元数为1647204，通电状态为1323985。

2.4 材料参数

工作介质为蓝油Skydro LD-4。其中：密度=比重×0.998；运动粘度=动力粘度/密度（mm2/s）1cst=10-2st=1mm2/s；1cp=10-2p=10-3Pa﹒s；1P=1st×1g/cm3。经计算密度和动力粘度取值见表1。

表1 在不同温度下介质材料属性取值表

3 仿真计算结果显示

文中仅给出常温25℃时断电和通电状态的计算结果，其他温度条件下的结果略。

3.1 断电状态

3.2 通电状态

4 结论

仿真计算得断电，通电状态的流量值见表2。

从仿真数据中可以发现，随着温度的降低，蓝油Skydro LD-4粘度变大，流量减小；低温对电磁阀流量的影响较大。具体情况为：

1) 断电状态，由室温（25℃）至-20℃间，流量减少为常温流量的93%左右；温度降至-56℃时，流量减少为常温流量的40%左右。

2)通电状态，由室温（25℃）至-20℃间，流量减少为常温流量的85%左右；温度降至-56℃时，流量减少为常温流量的30%左右。

不同状态下压力变化具体情况为：

1)断电状态，液压油由控油口流入，回油口流出，阀座处压力较大，平均约为20MPa。内阀座处压力较小，平均约为2MPa。

2)通电状态，液压油由进油口流入，控油口流出，最大压力发生在进油口处，约为20MP。阀座处压力较小，平均约为2MPa。

由仿真分析结果可知，在常温和-20℃时，流量均大于4L/min,满足进油流量要求，在-56℃时流量则小于进油流量要求。