結構尺寸對二級節流閥空化流動特性的影響

劉秀梅，賀杰，龍正，李文華，李貝貝

(1.中國礦業大學機電工程學院，江蘇徐州221116;2.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，杭州310027; 3.中國礦業大學江蘇省礦山機電裝備重點實驗室，江蘇徐州221116)

結構尺寸對二級節流閥空化流動特性的影響

劉秀梅1，2，3，賀杰1，龍正1，李文華1，李貝貝1

(1.中國礦業大學機電工程學院，江蘇徐州221116;2.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，杭州310027; 3.中國礦業大學江蘇省礦山機電裝備重點實驗室，江蘇徐州221116)

節流閥口的形式以及結構尺寸直接影響節流閥的性能，因此閥口結構形式選擇及其設計是很重要的。通過數值模擬的方法研究了二級節流口尺寸不同對閥內空化流場、流速以及空化區域的影響。研究結果表明:二級節流閥內上游腔的拐角處、二級節流口中間腔的近壁面區域、閥芯的頂部、節流口下游的近壁面區域存在四個回流區。隨著閥口尺寸m、n的改變，閥內回流區位置幾乎不變，但是回流區面積大小會發生改變。但是m=2，n=1時二級節流閥具有較好的抗空蝕特性。研究結論為工程人員設計高性能液壓閥提供了理論依據。

節流閥;閥口;開度;閥口尺寸

空化現象一直是液壓閥中經常發生的一個嚴重問題。當流體通過液壓閥后，如果流體的靜壓降低到低于該液體的飽和蒸汽壓時，容易出現空化現象。空化產生的空泡容易造成流體的微小噴射，并對閥門表面形成沖擊，導致閥芯和閥座面損壞，帶來噪聲和振動問題，而且還會影響液壓元件的性能和壽命［1－2］。因此，研究和分析液壓閥內部空化流動，預測空化和空蝕的危險區域，探討流場條件和幾何參數對空化和空蝕的影響具有重要的現實意義［3］。

由于液壓閥內部流動是復雜的三維湍流運動，對其進行研究面臨很大困難。目前液壓閥內部空化問題主要從兩個角度來研究。①采用透明模型進行可視化實驗研究，觀察液壓閥內空化流動特性;②應用計算流體動力學方法對各種流體機械內部流場進行數值模擬，預測空化發生區域。從以上兩個方面，國內外學者開展了大量的研究。Oshima［4］利用半切模型對錐閥氣穴流動進行了細致的研究，在半切錐閥的平面上，覆蓋有機玻璃板用來觀察氣穴，研究得出了錐閥流向(外流、內流式)與氣穴、流量和噪聲特性的關系。Jazi［5］研究了球閥內部空化空蝕現象，指出當球閥的閥口開度低于12%時，可根據高頻信號變化來判斷空化發生和發展情況，當球閥閥口開度較大時，空泡潰滅輻射低頻聲信號則很難探測。Casoli［6］采用CFD(Computational fluid dynamics)研究了高壓閥中兩相流現象，運用Singhal空化模型描述相位變化和標準k－ε方程來修正湍流擾動，并實驗研究了質量變化率與壓力的關系。Chern［7］通過數值方法指出閥體內部漩渦中心會出現空化現象，當無閥蓋時下游有空化現象，但是有閥蓋時則沒有。Valdés［8］采用CFD數值模擬了球形節流閥內空化流動，研究了不同開度下通過閥體的流體質量變化。Tabrizi［9］采用CFD數值模擬了球形閥內空化流動，分析了球形閥內壓力變化以及閥腔下游漩渦的形成。研究結果表明:閥口開度是影響球形閥空化性能的一個重要因素。隨著閥口開度減小，漩渦變大，閥腔內壓降增大。浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室［10］從流場數值模擬和實驗可視化角度研究了錐閥與球閥閥口的氣穴流動以及溢流閥中的氣穴噪聲。偶國富［11］針對高壓差調節閥高速氣－液－粒三相流傳輸引起的閥芯嚴重空蝕和沖蝕磨損問題，數值計算了閥內的空化場及其它重要流場信息，并提出了空蝕預測方法，為了減弱空化的發生，可以從改善閥體及閥芯結構上考慮。劉銀水等［12－13］對二級節流閥的負載剛度特性及抗氣蝕性能進行了詳細的理論分析與試驗研究，得出了二級節流閥的負載剛度等于組成它的兩個節流口負載剛度之和，且抗氣蝕性能較單極節流閥好的結論。二級節流閥是防止和減輕節流閥中氣蝕的有效結構形式，它由2個節流口串連，共同承擔閥內壓降，使得每個節流口上的壓降相對減小，達到減輕氣蝕的目的。目前對于一級節流閥的研究較多，但對于以液壓油為介質的二級節流閥內的空化流動特性的研究較少，所以本文通過數值模擬的方法研究了不同結構下二級節流閥內部流場及空化區域分布。

1 計算模型與控制方程

由于節流閥口的形式以及結構尺寸直接影響節流閥的性能，因此，其結構形式選擇及其設計是很重要的。在油壓節流閥中存在嚴重的節流氣穴、氣蝕問題，這嚴重影響了閥的性能，因此在選擇閥形式及確定結構尺寸時，重點考慮怎樣避免氣穴的產生和減小氣蝕的破壞，提高閥的性能。從對節流氣穴和氣蝕現象的分析可知:二級節流的抗氣蝕性能要比一級節流的抗氣蝕性能好。因此，節流閥宜采用二級節流的形式［14］。

1.1 計算模型

由于本文所討論的空化發生區域主要集中節流閥口附近，且節流閥口附近的流動具有基本對稱性。因此，為了降低計算維度建立了如圖1(a)所示錐形節流閥的簡化結構模型，在CFD仿真中采用旋轉軸對稱假設實現二級節流閥的空化現象仿真。圖1(b)為二級節流閥內部流道的空化數值仿真模型，其中X是節流閥的開度，m，n為一級、二級節流口尺寸(分別取1 mm、1.5 mm、2 mm)，此外本文節流閥結構參數L、L1、D、d分別取值為100 mm、60 mm、16 mm、8 mm。假設液相介質為不可壓縮流體，氣相介質為可壓縮流體，空化流動過程視為恒溫絕熱過程。邊界條件如下:節流閥入口采用壓力入口邊界條件(pressure－inlet)，設定值為0.8 MPa，節流閥出口采用壓力出口邊界條件(pressure－outlet)，設定值為0.2 MPa，節流閥旋轉對稱軸采用軸邊界條件(axis)，閥芯邊界及閥座內邊界采用壁面邊界條件(wall)。針對圖1所示的流道幾何模型采用非結構化四邊形網格對計算區域進行網格劃分，并結合流動特點對流道閥口位置及閥口后部空化區域設置較密的網格。同時根據該網格劃分方案計算不同密度的兩種網格并對數值解進行了網格無關性驗證，最終確定本文計算所采用的網格單元數61 129。為了完成二級節流閥的空化現象的數值仿真，本文采用Mixture模型對閥內液壓油空化流動進行穩態計算，主要相流體為液壓油，次要相流體為油蒸汽，閥腔內流動介質為液壓油，密度為889 kg/m3，常溫下運動黏度為120 mm2/s。采用SIMPLE方法求解壓力耦合方程組，壓力的離散采用Standard格式，密度、動量、能量等的離散采用First Order Upwind格式。

圖1 二級節流閥簡化結構及數值計算模型Fig.1 Throttle valve simplified structure and numericalmodels

1.2 控制方程組

在節流閥內空化流動的計算選用了Fluent軟件中的Mixture模型，且空化流動采用Singhal等發展的全空化模型完成計算。其中在Mixture模型假定下，在較小的空間長度尺度范圍內，液相和空泡相相間耦合強烈且滿足局部平衡條件。因此，可以將空化流動中流體相和空泡相作為統一的流體進行研究，即采用如文獻［10］和文獻［15］中所述的連續性方程、動量守恒方程以及能量守恒方程，同時本文所采用基于Boussinesq假設的雷諾應力關聯式來計算閥內湍流［16］:

式中:ρ為油相與泡內氣體相混合流體的密度，ρv、ρl分別為空泡相(液壓油蒸汽)、流體相(液壓油)的密度，v→為混合流體的速度矢量，αv、αl分別為空泡相、流體相的體積分數，且αv+αl=1，Re為油蒸汽產生率，Rc為油蒸汽凝結率，P為流體靜壓力，Ev、El分別為空泡相、流體相能T為流體的溫度，keff為有效導熱系數。

為了描述空化的發生與潰滅過程，空化流動過程中油蒸汽產生率Re和凝結率Rc由描述空泡動力學特性的Rayleigh－Plesset方程(式5)描述:

式中，RB為空化泡半徑，PB為泡內壓強，μ為液壓介質黏性，σ為液壓介質表面張力。在忽略二階項及表面張力的影響下可以由式(5)得出:

另一方面，考慮Mixture模型混合相的密度表達式為:

其中，蒸汽的體積分數可以從空化數n和空泡的半徑計算得出:

組合式(7)和式(8)并求微分可得:

結合流體相及空泡相連續性方程、式(6)、式(9)，并考慮缺少估算空化數密度的通用模型，因此可以得出相變率R為:

在實際的空化模型中，在不考慮溶解氣體、質量傳遞及黏性阻尼的情況下，泡內壓強PB通常等于飽和蒸汽壓Pv。因此，式(2)中液相與汽相的質量變化率可以從式(10)給出:

式中:Fvap、Fcond為常量，分別等于0.02、0.01，飽和蒸汽壓Pv由湍流壓力波動估計值校正:

式中:Psat為當地液相的飽和蒸汽壓。

2 計算結果及分析

2.1 空化流場、流速分析

為了直觀地分析二級節流閥中節流口尺寸變化對閥內空化流場的影響，我們選擇9種不同的節流閥結構尺寸(即m，n值)，圖2分別為閥體內部流線分布圖(上半部)和流速分布圖(下半部)，其中括號內的數字表示不同的m－n值。從圖2可知，閥口流線轉折處產生流體分離現象，并出現回流區?；亓鲄^主要分布在:上游腔的拐角處1、二級節流口中間腔的近壁面區域2、閥芯頂部3、節流口下游近壁面區域4?；亓鲄^1、回流區2的旋渦尺度小，強度大，而回流區3、回流區4旋渦尺度大，強度弱?；亓鲄^流速及旋渦強度都較強，消耗主流能量較大，導致壓降與能量的降低。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。此外，二級節流閥中結構尺寸m、n不同時，閥內回流區位置幾乎不變，但是回流區面積大小會發生改變。當m值一定時，隨著n值的增大，回流區3的面積逐步減小、回流區4面積逐步增加。由于閥芯易更換，所以我們重點關注閥體處回流區面積和強度較小的結構，即n=1的結構。在n=1時，隨著m值的增大，回流區3的強度逐漸增強，回流區4的面積逐步減小。即圖2中m=2、n=1的結構閥體處回流區最小，即產生空蝕的可能性最小。由于二級節流口m和n的尺寸決定上下游節流口的相對位置，其會影響流體流經節流口后的流向和流速，節流閥二級節流口拐點(A、B)之間的連線與液體的流向基本一致，其與水平線的夾角越小，節流口后的回流區面積也就越小。

圖2 流場(上半部)和流速分布圖(上半部)Fig.2 Flow charts(the upper part)and Velocity contours(the down part)

從圖2還可知，不同節流口尺寸下閥內油液的流速分布。由于通流截面積的突然縮小會導致流速升高，所以閥內油液流速從2 m/s增加到40 m/s。圖中流速較小(2 m/s)的區域主要分布在閥座的拐角、二級節流口中間腔、閥芯頂端及節流口下游回流區內;流速較高區域主要分布在節流口下游流道中心;流速變化區域主要分布在上游節流口和下游節流口之間的過渡區域，這與文獻［14］的結論一致。此外，隨著m值的增加和n值的減小，高流速區域逐步向節流口附近擴展。m值的增加增大了下游節流口的開度，從而使得下游節流口附近的流速下降，上游節流口處流體流速相對增加，所以高流速區域就會向上游擴展。同樣，n值的減小會增加上游節流口的節流作用，上游節流口附近的流速增大，高流速區域亦向上游擴展。從圖2還可知，節流口尺寸m=2，n=1時高流速區域面積最小，且流速變化較小，所以該種結構下空化現象最不易發生。

2.2 空化壓力場與空化區域分析

不同節流口結構下二級節流閥閥腔內壓力分布云圖(上半部)與空化區域分布(下半部)見圖3，圖3中低壓區主要分布在節流口下游，與圖2中回流區4的位置一致。在節流口處以及節流口下游流道中心區域，壓力梯度較大。隨著m值增加和n值減小，節流口的節流作用更加明顯，流體流經節流口后的流速逐步減小，降低節流口下游相對流速，從而減小節流口下游的低壓區并導致發生流體脫落的區域變小。從圖3可知，節流口尺寸m=2，n=1時，閥中低壓區域最小，節流口后的壓降也最小，此時抗空蝕性能最好。

圖3 壓力(上半部)和空化區域分布圖(下半部)Fig.3 Pressure contours(the upper part)and cavitation region distribution(the down part)

對于尾流和射流而言，空化現象首先出現在因分離所引起剪切層的表面［17］。氣體體積比作為空化程度以及空化區域的衡量依據［9］，圖3(a)～圖3(i)為不同節流口尺寸下節流閥內空化區域分布圖。從圖中可以看出:不同結構尺寸的二級節流閥(m、n不同)內部均有空化現象發生，且空化區域主要分布在節流口后靠近流道邊緣的低壓區，即流體分離層處。隨著n值減小，流經節流口的流體流速逐步降低，低壓區域逐步縮小，對應的空化區域也逐步萎縮，由圖3(g)可知，(m =2，n=1)的空化區域幾乎消失，所以此種結構下節流閥抗空蝕性能較高。但是，m=2，n=1時閥芯倒角處出現新的空化區域，所以不能簡單的通過持續增大m值和減小n值來獲得更好地抗空蝕特性結構。

3 結論

本文以液壓油為流體介質采用Fluent數值模擬了節流口尺寸變化對二級節流閥內部空化流場的影響，得出了以下結論:

(1)節流閥閥口尺寸變化對二級節流閥內部壓力場、流場和空化區域有很大的影響。

(2)二級節流閥內上游腔的拐角處、二級節流口中間腔的近壁面區域、閥芯的頂部、節流口下游的近壁面區域存在四個回流區。

(3)從減少對閥體結構空蝕角度來看，閥口尺寸m=2、n=1時，即沿著流線方向尺寸為2 mm、垂直于流線方向尺寸為1 mm時該二級節流閥抗空蝕效果最好，但該方案在節流閥閥芯附近出現空化區，可能對閥芯造成一定的空蝕破壞。

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Effects of structural sizes on characteristics of cavitating flows in a two-step throttle valve

LIU Xiu－mei1，2，3，HE Jie1，LONG Zheng1，LIWen－hua1，LIBei－bei1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;
2.The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;
3.Jiangsu Key Laboratory of Mine Mechanical and Electrical Equipment，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

The shape and structural sizes of throttle valve port have a direct impact on the characteristics of cavitating flows in a two－step throttle，so it is important to choose and design the right form of the throttle valve port.Here，the effects of different port sizes on cavitation flow field，flow velocity and cavitation area in a throttle valve were investigated using CFD to choose the best combination of port sizes and choke sizes.The numerical results showed that there are four vortexes located atupstream of the flow channel，thewall of themiddle section of two－port valves，the top of valve rod，and downstream of the flow channel;with the change of port size of m and n，the positions of vortex in a twostep valve are almost the same，but their areas change;however，if m=2，n=1，the two－step throttle valve has a better structure with an anti－cavitation performance.The results provided a theoretical basis for engineers to design a highperformance throttle valve.

throttle valve;valve port;opening;valve port size

TH137;O359

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.025

國家自然科學基金(51209203，51309221，51205391);江蘇省自然科學基金項目(BK2012131);浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室(GZKF－201317);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目;江蘇省第三批高校優秀中青年教師和校長赴境外研修項目

2014－11－17修改稿收到日期:2015－01－07

劉秀梅男，博士，副教授，1982年生

李貝貝男，博士，講師，1984年生