2.3 气动控制阀流场计算模型的选定

气动控制阀内的流体状态通过雷诺数计算公式Re=ρυL/μ进行判断。根据气动控制阀的实际工况，取入口气体密度ρ=8.17kg/m3，阀体进气口直径尺寸L=0.039m，气体流速为υ=202m/s，进气口动力黏度系数μ=1.89×10-5Pa·s，将数值带入式中求出Re=3.4×106，雷诺数远大于上临界雷诺数4000，可以判定气动控制阀内的流体流动为湍流流动。

根据气动控制阀配气过程中流体的不同流动状态，合理的选择湍流模型进行模拟。在配气阀芯小开度时采用可实现的k-ε模型，由小开度向全开转变时采用RNGk-ε模型，全开时采用标准k-ε模型。通过三种模型的联合应用，可以得到更为可靠的分析结果。最终初始条件如表1所示。

表1 控制阀入口初始条件

3 计算结果分析

3.1 安全阀流场分析

取气源压力为0.8MPa，针对安全阀不同升程，对安全阀内部流场分布规律进行对比分析，分别计算出压力云图如图7、马赫数分布图如图8和流量图9所示。

图7 不同升程下压力云图

图8 不同升程下马赫数分布图

图9 不同升程下流量图

从图7中可以看出，随着安全阀升程的增加，出口处压力值逐渐增大。升程由6mm变为8mm时，出口处压力值增长了0.06MPa；由8mm变为10mm时，仅增长了0.02MPa。主要由于压缩气体在流经安全阀后还要经过多个流通管道，在气源压力不变的情况下，后续流通管道气流量增加到一定值后不再增加，使得安全阀升程不再影响阀内流场分布。由图8a可知，在安全阀堵塞与阀体形成的渐缩渐扩口（即阀口）处，压缩气体流速显著增加，马赫数达到0.75，此时，阀口处的节流作用十分明显。随着升程的增加，阀口处的流速逐渐减小，阀口对压缩气体的节流作用减弱。升程为8mm和10mm时，阀口处马赫数基本稳定在0.45。由图9可知，随着安全阀升程的增加，气体质量流量逐渐增大。升程由6mm升至8mm后，质量流量增加了0.18kg/s。由8mm升至10mm时质量流量仅增加了0.02kg/s，增长趋势明显趋于平缓。

综上，安全阀升程达到8mm后，随着升程的继续增加，阀口段气体流量基本保持不变，压力及阻力损失的增加较为缓慢。因此，安全阀的升程选择8mm比较合理。

3.2 阀门小开度工况下正反转对比分析

配气阀配气过程中，大部分情况下都是两个气缸同时进气。在某一气缸进气过程中，当曲轴转过20°角时，取为小开度工况。气流在流经配气阀进气管出口进入气缸前的过程中，其流动管道结构基本相同。在此阶段，管道结构几乎不会对流场分布造成差异。因此，只针对配气阀进气管出口处进行分析。分别计算出如图10的阀门小开度下压力云图、如图11的阀门小开度下速度矢量图、如图12的阀门小开度下进气口流量图。

图10 阀门小开度下压力云图

图11 阀门小开度下速度矢量图