在往复nianxiangyuan
中，气阀腔是受压缩介质在气缸中气口与工作腔之间流通的必经通道。设计气阀腔时要保证气体流通顺畅，流速控制在适当范围内，减小压力损失。气阀腔结构，通流面积，以及压阀罩的安装状态都会影响气缸内介质的流通。
对于铸件气缸和锻件气缸，气阀腔结构有较大的差别。铸件气缸按进排气阀数量可分为一进一出、两进两出、三进三出等，进排气数量相同的气缸又可分为羊角缸、圆缸等多种形式，因此，形成了结构多样的气道和气阀腔。铸造气缸可以设计并易于制成复杂形状，气阀腔和气道通流面积较大，过度圆滑，有较好的气流流通效果。铸件气缸的气阀腔不作为本文研究的重点。
锻件气缸的气阀腔和气道是通过在锻件毛坯上钻、镗等切削加工方法成形的，结构形式固定，且相对简单。在气缸设计过程中，为减小气缸外形尺寸，节省材料，通常会控制气阀腔尺寸。如果设计不当，就会造成气体流通不畅，流速升高等问题。
对于压阀罩结构而言，铸件压阀罩采用方窗作为气流通道，一般通流面积较大，可以形成较好的气流通道。锻件压阀罩采用圆孔作为气流通道，考虑到本身尺寸和强度问题，圆孔不会设计很大，总面积与气道通流面积相当即可。
通过上面的分析，对于高压气缸，即采用锻件气缸和锻件压阀罩的形式，气阀腔内的气流通道相对狭小，需要对其进一步优化设计，这种情况也是本文研究的重点。
本文采用流体动力学分析软件CFX，对气阀腔内的流场情况进行分析计算。通过改变压阀罩安装状态和气阀腔尺寸分别进行计算，总结出这两种因素对气流流动的影响情况，从而指导设计工作。
2、基于CFX的气阀腔流场分析
计算流体动力学分析（CFD）是通过计算机进行数值计算的方法，模拟流体流动时的各种相关物理现象，包括流动、热传导、声场等。
ANSYS Workbench中的CFD软件包括Fluent、CFX和POLYFLOW。CFX从精确性、可靠性、并行能力和后处理来讲，都要优于其它两种。因此，本文选用CFX进行问题的研究。
s*先应用SolidWorks建立气缸气阀腔局部的装配模型，装配体中包括：缸体、阀孔盖、压阀罩、气阀、垫片，具体模型如图1所示，主要尺寸见表1。本文分析气阀腔内气体的流动，因此采用布尔运算中删减功能求解出气体的流体计算域，如图2所示。
将流体计算域三维模型导入ANSYS Work原bench，并将计算区域类型改为流体区域。划分网格时，将几何体透明度设定为0.7，网格用途为CFD网格，求解器设置为CFX，网格尺寸中Relevance Center为Fine。设定计算域为进气阀阀腔，气道为入口，命名为inlet，气阀腔出口（即气阀入口）为outlet，计算域网格模型如图3所示。
模型材料设置为气体介质：Air at 25℃，重力加速度为Y轴方向，大小为-9.8 m/s2 。设置模型的边界条件，具体设置方法见表2。求解器保持默认设置，z*大迭代步数为200，收敛残差判据为1×10-4 。
3 压阀罩安装状态对流场的影响
压阀罩安装时，通流圆孔的朝向影响气流路径的通畅。本文针对有4个圆孔的锻件压阀罩，设置3种压阀罩安装方向进行研究。分别为圆孔中心线与气道中心线重合，中心线之间夹角为22.5度，中心线之间夹角为45度，具体的安装状态如图4所示。
3.1 中心线重合
计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时气阀腔内的流场状况。气阀腔内气体流速的三维流线图如图5所示，压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图6所示。计算结果可以看出，气流通过正对气道的压阀罩圆孔时流速z*高为21.2 m/s。
绘制气流速度为15m/s的等速云图，如图7所示。图中可以直观看出气流流速较高的位置，以及高速气流的流向。
气流出口处的流速云图如图8所示。流体计算域出口即为气阀入口，从计算结果可以看出，气流进入气阀时流速并不均匀，图中下半部局部流速较高，会造成气阀的偏吹现象，导致阻力损失增加与阀片的提前破坏。
可以用出口流速不均匀度N大致评判气阀发生偏吹现象的严重程度。
式中 Vmin——出口流速较高一半的平均流速
Vmin——出口流速较低一半的平均流速
Vo——出口平均流速
经过计算可以得出，压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时，出口流速不均匀度N=0.47。
3.2 中心线之间夹角为22.5°
计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线之间夹角为22.5°时气阀腔内的流场状况。气阀腔气体流速的三维流线图如图9所示，压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图10所示。气流通过偏向气道的压阀罩圆孔时的流速z*高为27m/s。
气流出口处的流速云图如图11所示。从计算结果可以看出，气流进入气阀时流速并不均匀，图中左半部分流速较高，会造成气阀的偏吹现象，出口流速不均匀度N=0.7。
3.3 中心线之间夹角为45°
计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线之间夹角为45°时气阀腔内的流场状况。气阀腔气体流速的三维流线图如图12所示，压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图13所示。气流通过靠近气道的2个压阀罩圆孔时的流速z*高，且它们的流速相当为31m/s。
气流出口处的流速云图如图14所示。从计算结果可以看出，气流进入气阀时流速并不均匀，图中下半部分流速较高，会造成气阀的偏吹现象，出口流速不均匀度N=0.48。
通过对比上面的计算结果可以看出，当压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时，流场内的z*大流速z*小，中心线之间夹角为22.5°时；其次，中心线之间夹角为45°时，z*大流速z*大。从气阀偏吹的程度来说，中心线重合与中心线之间夹角为45°时，出口流速不均匀度相差很小，偏吹情况基本相近，中心线之间夹角为22.5°时，偏吹较为严重。综合来说，当压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时，介质流经气阀腔的流通效果z*好。
在气缸设计以及装配时，应尽量使压阀罩圆孔与气道孔正对，确保较好的流通效果。实际上，如果压阀罩上没有定位结构的话很难做到2个中心线重合。因此，应考虑研究合理的气阀腔结构，使得压阀罩在各种安装状态下都能保证较好的气体流通效果。
4、气阀腔尺寸对流场的影响
气阀腔设计时，阀腔高度是根据气道直径，缸体壁厚，气阀厚度等尺寸计算得出的，调整气阀腔通流面积时通常不会改变气阀腔高度，而是改变气阀腔直径。气阀腔通流面积是指压阀罩外圆与气阀腔内径之间的截面，如图15中所示的阴影面积。
气阀腔通流面积可以通过改变气阀腔直径来进行调整，将它与气道通流面积的比值定义为通流面积比δ。
其中，公式中各尺寸含义如图15所示，D0为气道直径。
按理论来讲，气流通过气阀腔通流面积进入到远离气道孔的压阀罩圆孔内，气阀腔通流面积通过了约一半的气体流量。为保证气阀腔内流速均匀，阻力损失小，气阀腔通流面积应该至少为气道通流面积的一半。这一结论可以通过有限元分析的方法进一步研究。
通过上面分析可知，压阀罩处于圆孔中心线与气道中心线夹角为22.5°，这一状态时，气流z*大速度介于其它两种状态之间，气阀偏吹现象比较严重。为了使压阀罩无论处于怎样的安装状态，都能保证气阀腔内有较低的流速和较轻的气阀偏吹现象。因此，选择中心线夹角为22.5°这一不理想的流场状态，对气阀腔结构进行研究。气阀腔结构中其它尺寸不变，阀腔直径依次取220、230、240、250、260、270、280（mm），分别进行流场分析，并记录流场状态的关键参数，见表3。
根据表3中的流场参数，绘制z*大流速随通流面积比δ变化的曲线，如图16所示。绘制出口流速不均匀度随通流面积比δ变化的曲线，如图17所示。
通过z*大流速曲线可以看出，随着气阀腔直径的增大，腔内的z*大流速见小。当通流面积比δ＜60%时，z*大流速随δ变化比较明显。当δ＜30%时，z*大流速已经达到30m/s以上，局部会产生较大的压力损失。通流面积比δ＞60%时，z*大流速随δ变化较缓慢，说明增加气阀腔尺寸不会明显减小气阀腔内z*大流速。这时再想通过加大气阀腔尺寸来减小z*大流速，会增加缸体尺寸，很不经济。
通过出口流速不均匀度曲线可以看出，随着通流面积比δ增大，不均匀度N值减小。说明在确定的压阀罩安装状态下，增大气阀腔直径可以缓解气阀偏吹现象。同样，一味为了减轻气阀偏吹而加大气阀腔也是不合理的。
总结上面的理论分析和有限元计算结果，使气阀腔通流面积约是气道通流面积的60%，气阀腔内的气体流通效果较好。此时，气阀腔尺寸适当，腔内的z*大流速较低，气阀偏吹现象较轻，是z*为合理的设计方案。
5、结论
（1）应用CFX软件可以对气阀腔内的流场进行分析，并且得出腔内气体的三维流线图，等速云图，流速云图等；
（2）在气缸设计以及装配时，使压阀罩圆孔与气道孔正对，可以确保气阀腔有较好的流通效果；
（3）使气阀腔通流面积约是气道通流面积的60%，气阀腔内的气体流通效果较好，是z*为合理的设计方案；
（4）对于铸件气缸，同样可以应用本文研究所得出的结论。
参考文献
[1] 活塞式nianxiangyuan
设计编写组.活塞式nianxiangyuan
设计[M].北京：机械工业出版社，1974：138-170.
[2] 郁永章.容积式nianxiangyuan
技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000：269-270.
[3] 刘平.基于ANSYS CFX的吸鱼泵的内部流场分析[J].流体机械，2014，（11）：43-46.
[4] 凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS WorkBench 13.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.
[5] 谢汉龙，赵新宇，张炯明.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.
[6] 高井辉.基于CFX的离心式压气机内部流场数值研究[D].大连：大连理工大学，2011.
[7] 马希金，王智，张明紫.基于CFX软件油气混输泵压缩级流场模拟及分析[J].石油矿场机械，2011，40（3）：32-36.
[8] 张书天.基于动网格的迷宫nianxiangyuan
流场分析[D].沈阳：沈阳理工大学，2014.
[9] JaakkoLarjola，JuhaHonkatukia，Petri Sallinen，JariBackman.
Fluid Dynamic Modeling of a Free Piston Engine
with Labyrinth Seals [J].Journal of Thermal Science，2010（02）：141-147.
[10] 谢轶男，李辉，赵贺嘉，江志农.往复nianxiangyuan
动态压力仿真及瞬态流场分析[J].机械设计与制造，2015，（4 ）：52-58.
[11] 赵斌，孙铁.活塞nianxiangyuan
气缸内气体的数值模拟[J].nianxiangyuan
技术，2007，（4 ）：10-13.
[12] 董诚诚.车载双螺杆nianxiangyuan
流场分析及性能研究[D].长沙：中南大学，2014.
在往复nianxiangyuan 中，气阀腔是受压缩介质在气缸中气口与工作腔之间流通的必经通道。设计气阀腔时要保证气体流通顺畅，流速控制在适当范围内，减小压力损失。气阀腔结构，通流面积，以及压阀罩的安装状态都会影响气缸内介质的流通。
对于铸件气缸和锻件气缸，气阀腔结构有较大的差别。铸件气缸按进排气阀数量可分为一进一出、两进两出、三进三出等，进排气数量相同的气缸又可分为羊角缸、圆缸等多种形式，因此，形成了结构多样的气道和气阀腔。铸造气缸可以设计并易于制成复杂形状，气阀腔和气道通流面积较大，过度圆滑，有较好的气流流通效果。铸件气缸的气阀腔不作为本文研究的重点。
锻件气缸的气阀腔和气道是通过在锻件毛坯上钻、镗等切削加工方法成形的，结构形式固定，且相对简单。在气缸设计过程中，为减小气缸外形尺寸，节省材料，通常会控制气阀腔尺寸。如果设计不当，就会造成气体流通不畅，流速升高等问题。
对于压阀罩结构而言，铸件压阀罩采用方窗作为气流通道，一般通流面积较大，可以形成较好的气流通道。锻件压阀罩采用圆孔作为气流通道，考虑到本身尺寸和强度问题，圆孔不会设计很大，总面积与气道通流面积相当即可。
通过上面的分析，对于高压气缸，即采用锻件气缸和锻件压阀罩的形式，气阀腔内的气流通道相对狭小，需要对其进一步优化设计，这种情况也是本文研究的重点。
本文采用流体动力学分析软件CFX，对气阀腔内的流场情况进行分析计算。通过改变压阀罩安装状态和气阀腔尺寸分别进行计算，总结出这两种因素对气流流动的影响情况，从而指导设计工作。
2、基于CFX的气阀腔流场分析
计算流体动力学分析（CFD）是通过计算机进行数值计算的方法，模拟流体流动时的各种相关物理现象，包括流动、热传导、声场等。
ANSYS Workbench中的CFD软件包括Fluent、CFX和POLYFLOW。CFX从精确性、可靠性、并行能力和后处理来讲，都要优于其它两种。因此，本文选用CFX进行问题的研究。
s*先应用SolidWorks建立气缸气阀腔局部的装配模型，装配体中包括：缸体、阀孔盖、压阀罩、气阀、垫片，具体模型如图1所示，主要尺寸见表1。本文分析气阀腔内气体的流动，因此采用布尔运算中删减功能求解出气体的流体计算域，如图2所示。
将流体计算域三维模型导入ANSYS Work原bench，并将计算区域类型改为流体区域。划分网格时，将几何体透明度设定为0.7，网格用途为CFD网格，求解器设置为CFX，网格尺寸中Relevance Center为Fine。设定计算域为进气阀阀腔，气道为入口，命名为inlet，气阀腔出口（即气阀入口）为outlet，计算域网格模型如图3所示。
模型材料设置为气体介质：Air at 25℃，重力加速度为Y轴方向，大小为-9.8 m/s2 。设置模型的边界条件，具体设置方法见表2。求解器保持默认设置，z*大迭代步数为200，收敛残差判据为1×10-4 。
3 压阀罩安装状态对流场的影响
压阀罩安装时，通流圆孔的朝向影响气流路径的通畅。本文针对有4个圆孔的锻件压阀罩，设置3种压阀罩安装方向进行研究。分别为圆孔中心线与气道中心线重合，中心线之间夹角为22.5度，中心线之间夹角为45度，具体的安装状态如图4所示。
3.1 中心线重合
计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时气阀腔内的流场状况。气阀腔内气体流速的三维流线图如图5所示，压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图6所示。计算结果可以看出，气流通过正对气道的压阀罩圆孔时流速z*高为21.2 m/s。
绘制气流速度为15m/s的等速云图，如图7所示。图中可以直观看出气流流速较高的位置，以及高速气流的流向。
气流出口处的流速云图如图8所示。流体计算域出口即为气阀入口，从计算结果可以看出，气流进入气阀时流速并不均匀，图中下半部局部流速较高，会造成气阀的偏吹现象，导致阻力损失增加与阀片的提前破坏。
可以用出口流速不均匀度N大致评判气阀发生偏吹现象的严重程度。
式中 Vmin——出口流速较高一半的平均流速
Vmin——出口流速较低一半的平均流速
Vo——出口平均流速
经过计算可以得出，压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时，出口流速不均匀度N=0.47。
3.2 中心线之间夹角为22.5°
计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线之间夹角为22.5°时气阀腔内的流场状况。气阀腔气体流速的三维流线图如图9所示，压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图10所示。气流通过偏向气道的压阀罩圆孔时的流速z*高为27m/s。
气流出口处的流速云图如图11所示。从计算结果可以看出，气流进入气阀时流速并不均匀，图中左半部分流速较高，会造成气阀的偏吹现象，出口流速不均匀度N=0.7。
3.3 中心线之间夹角为45°
计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线之间夹角为45°时气阀腔内的流场状况。气阀腔气体流速的三维流线图如图12所示，压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图13所示。气流通过靠近气道的2个压阀罩圆孔时的流速z*高，且它们的流速相当为31m/s。
气流出口处的流速云图如图14所示。从计算结果可以看出，气流进入气阀时流速并不均匀，图中下半部分流速较高，会造成气阀的偏吹现象，出口流速不均匀度N=0.48。
通过对比上面的计算结果可以看出，当压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时，流场内的z*大流速z*小，中心线之间夹角为22.5°时；其次，中心线之间夹角为45°时，z*大流速z*大。从气阀偏吹的程度来说，中心线重合与中心线之间夹角为45°时，出口流速不均匀度相差很小，偏吹情况基本相近，中心线之间夹角为22.5°时，偏吹较为严重。综合来说，当压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时，介质流经气阀腔的流通效果z*好。
在气缸设计以及装配时，应尽量使压阀罩圆孔与气道孔正对，确保较好的流通效果。实际上，如果压阀罩上没有定位结构的话很难做到2个中心线重合。因此，应考虑研究合理的气阀腔结构，使得压阀罩在各种安装状态下都能保证较好的气体流通效果。
4、气阀腔尺寸对流场的影响
气阀腔设计时，阀腔高度是根据气道直径，缸体壁厚，气阀厚度等尺寸计算得出的，调整气阀腔通流面积时通常不会改变气阀腔高度，而是改变气阀腔直径。气阀腔通流面积是指压阀罩外圆与气阀腔内径之间的截面，如图15中所示的阴影面积。
气阀腔通流面积可以通过改变气阀腔直径来进行调整，将它与气道通流面积的比值定义为通流面积比δ。
其中，公式中各尺寸含义如图15所示，D0为气道直径。
按理论来讲，气流通过气阀腔通流面积进入到远离气道孔的压阀罩圆孔内，气阀腔通流面积通过了约一半的气体流量。为保证气阀腔内流速均匀，阻力损失小，气阀腔通流面积应该至少为气道通流面积的一半。这一结论可以通过有限元分析的方法进一步研究。
通过上面分析可知，压阀罩处于圆孔中心线与气道中心线夹角为22.5°，这一状态时，气流z*大速度介于其它两种状态之间，气阀偏吹现象比较严重。为了使压阀罩无论处于怎样的安装状态，都能保证气阀腔内有较低的流速和较轻的气阀偏吹现象。因此，选择中心线夹角为22.5°这一不理想的流场状态，对气阀腔结构进行研究。气阀腔结构中其它尺寸不变，阀腔直径依次取220、230、240、250、260、270、280（mm），分别进行流场分析，并记录流场状态的关键参数，见表3。
根据表3中的流场参数，绘制z*大流速随通流面积比δ变化的曲线，如图16所示。绘制出口流速不均匀度随通流面积比δ变化的曲线，如图17所示。
通过z*大流速曲线可以看出，随着气阀腔直径的增大，腔内的z*大流速见小。当通流面积比δ＜60%时，z*大流速随δ变化比较明显。当δ＜30%时，z*大流速已经达到30m/s以上，局部会产生较大的压力损失。通流面积比δ＞60%时，z*大流速随δ变化较缓慢，说明增加气阀腔尺寸不会明显减小气阀腔内z*大流速。这时再想通过加大气阀腔尺寸来减小z*大流速，会增加缸体尺寸，很不经济。
通过出口流速不均匀度曲线可以看出，随着通流面积比δ增大，不均匀度N值减小。说明在确定的压阀罩安装状态下，增大气阀腔直径可以缓解气阀偏吹现象。同样，一味为了减轻气阀偏吹而加大气阀腔也是不合理的。
总结上面的理论分析和有限元计算结果，使气阀腔通流面积约是气道通流面积的60%，气阀腔内的气体流通效果较好。此时，气阀腔尺寸适当，腔内的z*大流速较低，气阀偏吹现象较轻，是z*为合理的设计方案。
5、结论
（1）应用CFX软件可以对气阀腔内的流场进行分析，并且得出腔内气体的三维流线图，等速云图，流速云图等；
（2）在气缸设计以及装配时，使压阀罩圆孔与气道孔正对，可以确保气阀腔有较好的流通效果；
（3）使气阀腔通流面积约是气道通流面积的60%，气阀腔内的气体流通效果较好，是z*为合理的设计方案；
（4）对于铸件气缸，同样可以应用本文研究所得出的结论。
参考文献
[1] 活塞式nianxiangyuan
设计编写组.活塞式nianxiangyuan
设计[M].北京：机械工业出版社，1974：138-170.
[2] 郁永章.容积式nianxiangyuan
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[7] 马希金，王智，张明紫.基于CFX软件油气混输泵压缩级流场模拟及分析[J].石油矿场机械，2011，40（3）：32-36.
[8] 张书天.基于动网格的迷宫nianxiangyuan
流场分析[D].沈阳：沈阳理工大学，2014.
[9] JaakkoLarjola，JuhaHonkatukia，Petri Sallinen，JariBackman.
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[10] 谢轶男，李辉，赵贺嘉，江志农.往复nianxiangyuan
动态压力仿真及瞬态流场分析[J].机械设计与制造，2015，（4 ）：52-58.
[11] 赵斌，孙铁.活塞nianxiangyuan
气缸内气体的数值模拟[J].nianxiangyuan
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[12] 董诚诚.车载双螺杆nianxiangyuan
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