二級管道節流過程中氣蝕數值模擬

羅 鵬， 田 寧， 趙丹洋

(沈陽化工大學機械工程學院，遼寧沈陽110142)

隨著液壓技術向著高速高壓大功率發展，液壓系統的噪聲也日益嚴重，并且成為妨礙液壓技術進一步發展的因素，而液壓管道是液壓系統產生噪聲的主要因素之一.液壓系統的氣穴現象會影響液壓系統的工作性能，除了產生振動噪聲外，還會使系統的效率降低，損壞零件，縮短液壓元件和管道的壽命，造成流量和壓力的脈動.因此，研究和分析液壓管道的氣穴現象，認識液壓管道中產生氣穴的狀況和氣穴產生的界限，氣穴與管道形狀的關系等對減小和降低液壓系統的振動和噪聲，改善液壓系統的性能有著積極而深遠的意義.

雖然對氣穴氣蝕的形成機理和形成過程進行過許多研究，學術界與工程界也提出了很多猜想和理論，但對一些問題仍未形成統一的認識.由于氣蝕是瞬態過程中產生的現象，氣泡的生長時間極短，一般為毫秒，甚至達到了微秒級.即便使用先進的測試器，如高速攝像機等也很難觀察復雜的物理過程.羅經等［1］利用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)仿真技術，對水輪機葉片表面氣蝕的典型特征進行計算;廖義德［2］袁桂鋒［3］等用實驗研究方法，以淡水為介質，對直動式純水溢流閥的流動特性進行仿真.GADAG［4］等對碟閥氣蝕產生的噪聲及震動進行了研究;Osman Asi［5］用數值模擬的方法對閥部分氣蝕損害進行了理論分析.雖然進行的研究很多，但是大多是對閥體的研究，研究手段以實驗為主，對管道氣蝕研究比較少.節流管道雖然比較簡單，但是它能夠為很多復雜結構提供一種合理化建議，并在實際工程應用中占有很大的比例，對其進行研究具有一定的理論意義和較大的實用價值.

1 氣蝕的數值模擬與實驗方法

1.1 氣蝕現象

氣蝕是材料在液體的壓力和溫度達到臨界值時產生的一種破壞形式.其過程包含兩個階段:第一個階段液體中形成氣泡;第二個階段氣泡之間相互擠壓破裂，重新恢復成液體.目前，液壓傳動是以氣穴系數σ的大小來判斷發生氣穴的程度.

式中 pU—進口壓力;

pD—出口壓力;

pV—水的汽化壓力.

1.2 節流流道與實驗模型設計及參數條件

節流管道形式不同對節流管道性能有較大影響.根據結構形式，節流管道可以分為普通節流管道和二級節流管道.二級節流管道具有提高閥口抗氣蝕的性能.所以，在實驗研究節流流道的抗氣蝕性能時，選擇二級節流流道作為對比對象有一定的參考價值.圖1中(a)、(b)分別是采用正常節流流道和二級節流流道的結構簡圖，其入口直徑為:D=70 mm，長度L=100 mm，d=40 mm，l=120 mm.

圖1 節流管道結構示意圖Fig.1 Throttling pipeline structure diagram

1.3 控制方程組

節流閥中流體的流動過程可以用連續性方程、動量守恒方程、湍動能κ及湍動能耗散率ε的輸運方程來描述.

定長流動的連續方程和動量守恒方程為(2)、(3):

連續方程:

動量守恒方程:

式中:ρ—液體密度;

xi—坐標方向;

ui—數度矢量在xi方向的分量，m/s;

p—流體微元體上的應力，Pa;

τij—應力張量;

ρgi和Fi—分別為xi方向上的體重力和外邊體積力;

μ—液體的動力黏度，Pa·s;

δij—脈沖函數.

采用Yakhot和Orzag4提出的RNG κ－ε模型——重正化群模型，湍動能κ的運輸方程:

湍動能耗散率ε的輸運方程:

湍動能黏度μt不是物性參數，是空間坐標函數，取決于流動狀態;與標準κ－ε模型不同，GK表示平均速度引起的湍動能κ的產生項;Eij反映主流時平均應變率;取經驗常數 Cμ= 0.084 5，αk=αε=1.39，C1ε=1.68，η0=4.377，β=0.012.

1.4 計算區域及網格

圖2是節流管道計算網格示意圖.壁面上采用三角形網格，在計算區域內采用四面體網格，網格數約為175 624個，整個網格的生成滿足網格的正交性要求.當相對殘差小于設定的精度10－4時計算結束.

圖2 節流管道計算網格示意圖Fig.2 Throttling pipeline meshing diagram

1.5 邊界條件

邊界條件定義為進口速度與出口壓力.假定壁面絕熱，壁面與流體之間沒有熱交換，所有壁面的軸向徑向速度為0.進口:平均流速軸向8 m/s，沿徑向為0，出口壓力為0，流體介質為純水，密度為998.2 kg/m3，20℃時黏度為1.003× 10－6m2/s，水的汽化壓力為3.54 kPa.

2 計算結果

對節流管道進行了仿真，通過計算，得出節流管道速度分布圖、壓力分布圖、出口處的速度分布圖、速度等值線分布圖、壓力等值線分布圖等，并主要對速度壓力變化進行研究分析.

圖3為入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下普通節流管道相對速度分布圖.從圖3可以看出:在管道的節流處產生流體分離現象，并在下游區域有產生渦流現象的趨勢.管道節流處流速很高，在節流管道下游達到最大值.當液體流出節流管道時，液體向四周擴散，速度降低.節流口邊緣及管道中心處流速及旋渦強度都較強，消耗主流能量較大，導致壓力與能量的降低，旋渦中心壓力也較低.這些低壓區的存在是導致流體氣穴產生的主要原因.

圖3 普通節流管道相對速度分布圖Fig.3 Throttling pipeline velocity diagram

液體從進入到節流管道時，流速急劇收縮，速度梯度迅速增加，并在節流口拐角及節流管道內形成流線轉折，在高流速下節流后部極易出現斷面和流體脫離而成為管道內壓力最低區.圖4是入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下普通節流管道相對壓力場分布.由圖4可以看出壓力最低區域產生于節流口附近范圍內，所以，節流口附近區域是氣穴最容易發生的位置.對該處結構進行改造，渴望能夠改變節流管道內部壓力分布和流場狀態，進而減小氣穴發生的可能性.

圖4 普通節流管道相對壓力場分布圖Fig.4 Throttling pipeline pressure diagram

對節流管道進行二級的設計，使壓力在節流口后變化緩慢，減小壓力梯度.分析發現二級結構使壓力變化梯度減慢，流速變化梯度減慢.圖5是二級節流管管道入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下相對速度分布.與圖3相比節流管道的速度變化趨勢是相同的.并且速度從19.827 m/s減小到19.168 m/s.

圖5 二級節流管道相對速度分布Fig.5 Secondary pipeline velocity diagram

圖6是二級節流管管道入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下相對壓力分布.與圖4相比節流管道的壓強變化趨勢是相同的，并且最低負壓由原來的－2.02 MPa升高到－1.77 MPa，并且負壓范圍明顯減小.所以二級結構對防止節流管道被氣蝕有改善作用.

圖6 二級節流管道相對壓力分布Fig.6 Secondary pipeline pressure diagram

圖7 沿程壓力變化曲線Fig.7 Pressure diagram pressure changes curve

由圖7可以看出出口壓力0 MPa、4 MPa、8 MPa的節流管道降壓主要范圍是在10 mm到50 mm之間，所以，這段氣穴產生的也最多.即節流管道的氣蝕產生在節流口的前段.出口壓力為0 MPa在距離節流管進口處很近的位置壓力降到很低的程度，而出口壓力為8 MPa的壓力在節流管進口處降壓比較緩慢，最低負壓范圍和最低負壓值也都比較小.在出口壓力為8 MPa節流管道內，壓力沒有下降到水氣化壓力下，不會有氣化現象或很少有氣化現象的發生.而出口壓力為0 MPa，在節流管進口處壓力降到水氣化壓力下，水被氣化，產生氣泡，因此，更容易發生氣蝕現象.所以當入口壓力一定時，兩端壓差越小氣蝕發生的可能性越小，并且氣穴的產生隨著兩端壓差的增大向出口推移.

3 結論

通過ANSYS軟件對節流管道模型的可視化分析，可以得到下面的結論:

(1)分析結果表明壓強變化是直接導致氣蝕的原因.因此，在實際運用中，可以通過檢測閥內流體壓力的方法預測氣穴可能發生的區域.

(2)在節流管道參數相同的情況下，二級節流管道比普通節流管道能更有效地降低負壓值及減小負壓區域，使節流管道具有更強的抗氣蝕性能，并且節流管道兩端可以承受更大的壓差，為其他管道的設計提供了參考.

(3)當入口壓力一定時，兩端壓差越小，氣蝕的可能性越小，氣穴首先在節流管道入口處產生，并隨著兩端壓差的增大向出口推移.

［1］ 羅經，李健.基于CFD的水輪機氣蝕機制探討［J］.潤滑與密封，2006(7):102－104.

［2］ 廖義德，劉銀水，黃艷.二級節流閥抗氣蝕性能的實驗研究［J］.流體機械，2003，31(6):1－3.

［3］ 袁桂鋒，趙連春，王傳禮.直動式純水溢流閥的動態特性仿真［J］.機床與液壓，2006(6):93－95.

［4］ GADAG S P，SPINIVASAR M N.Cavitation Erosion of Laser-melted Ductile Iron［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，51(1/4):150－163.

［5］ Osman Asi.Failure of a Diesel Engine Injector Nozzle by Cavitation Damage［J］.Engineering Failure Analysis，2006，13(7):1126－1133.