U型節流閥流場特性的數值和試驗研究

賀 杰， 劉秀梅， 李貝貝， 戴真真， 喬淑云， 洪從華

(1. 徐州工程學院 電氣與控制工程學院，江蘇 徐州 221018; 2.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

滑閥是液壓控制閥中應用最為廣泛的閥類[1]，對系統性能好壞起關鍵性作用。當閥芯相對于閥體呈小節流口、高壓差時，閥口極易產生空化現象，引發諸如材料損傷、振動以及噪聲等現象[2-3]，是影響液壓系統控制精度的重要因素之一。滑閥閥口結構形式多樣、流道尺寸小、內部流場形式變化劇烈等特點，因此如何確定節流槽的結構形狀、獲得精確的流量曲線，實現節流槽內部流動狀態的準確預測顯得尤為必要[4]。

對于節流槽閥口流場特性的研究，文獻[5]通過軸向柱塞泵配流盤切口(V型槽)附近的噴射流動可視化分析，指出含3個V型槽的配流盤可以抑制空化效應。文獻[6]對多路閥雙U型節流槽氣穴流動進行了數值分析，指出雙U型節流槽長度、槽半徑、兩槽底間距離的組合可以實現對氣穴的抑制作用。文獻[7]分析了不同節流槽深度對節流閥內部油液壓力場、速度場及空化區域的影響。文獻[8]解析推導了三種典型閥口過流面積，并分析了閥芯移動過程中發生的閥口遷移現象。文獻[9]討論了節流槽形狀對過流面積、流量、射流角度、液動力和節流剛度等流場特性參數的影響。文獻[10]對液控換向閥內流場和動態響應進行了數值模擬，指出閥口開度越小、流量越大，軸向力和氣穴產生的可能性都增大，并且閥口形狀對內流場和動態響應有顯著影響。文獻[11]分析閥口開度、流量變化對于閥芯壁面壓力分布及其穩態液動力的影響。文獻[12]研究了節流槽內的空化流及不穩定現象，指出節流口處是空化形成的主要區域。文獻[13]討論了不同阻尼孔寬度、深度和相對位置下的閥芯液動力和流量損失情況。

二級節流是減輕控制閥中空化現象的有效結構形式[14]。目前對于雙U型節流閥閥口流道情況的研究還不夠完善，仍須對其進行深入研究。因此，本文設計了U型節流閥可視化試驗平臺，并結合數值模擬和試驗的手段分析了雙U型節流閥節流口的流場特性及其影響因素。本文的研究結果可為節流閥內流體的運動規律、槽口處空化現象以及滑閥結構參數的優化設計提供依據。

1 試驗研究

圖1為試驗裝置示意圖。泵站用來給整個液壓系統供油。泵站出油口與蓄能器連接，通過蓄能器達到減弱系統中壓力波動目的。渦輪流量計實時監測油路中流量變化情況。為了觀測節流閥中油液流動和產生空化時的狀態，試驗所用滑閥由閥體、閥芯組成，該閥體采用透明有機玻璃(PMMA)材料加工而成，從而能夠實現流場的可視化。閥芯選用45#鋼加工且帶有不同槽口結構。閥體兩側及上下兩面有金屬加強板，提高透明閥體的耐高壓能力。通過溢流閥調節試驗閥進口壓力，節流閥調節試驗閥出口壓力，并通過兩個壓力表實時顯示進出口壓力數值大小。背壓閥出口通過油管接入風冷卻器，降低液壓油溫度、減少溫度對試驗結果的影響。試驗過程中采用46號抗磨液壓油，密度889 kg/m3，動力黏度是 0.036 kg/m·s。

為了捕捉透明節流閥閥口流場特性，選用Phantom VEO 710L型高速相機進行拍攝，拍攝幀率為2×104fps，拍攝圖片像素為256像素×256像素。試驗過程中采用鹵素光源進行背部打光，光源與高速相機分別位于透明試驗閥兩側。光源、高速相機與試驗閥同軸放置。

2 數值研究

2.1 閥口特性分析

圖2為雙U型節流閥流道結構簡圖，雙U型為兩個U型槽組合，且對稱分布于閥芯兩側。尺寸較小的為一級槽U1，一級槽半徑為r1，尺寸較大的為二級槽U2，二級槽圓弧半徑為r2，h1為一級節流槽深度，h2為二級節流槽深度，K表示閥口開度，節流槽總長度固定。雙U型節流槽多個節流面共同節流，油液由入口流入閥腔，依次通過二級槽、一級槽再由閥口流出。當閥口開度較小時，一級槽對節流起主要作用，主要用來微調流量；在大開度下，二級槽則決定了閥口流量的調節幅度。

圖3(a)為流動示意圖，其節流面有4個：一級節流槽表面A12和截面A11；二級節流槽表面A22和截面A21。對于復雜槽口的過流面積可以認為是多個節流面的串、并聯效應。各節流面串、并聯效應原理如圖3(b)所示。

A11與A21串聯等效得AU1，AU1與A12并聯后再與A22串聯等效得雙U型節流槽的閥口面積AUU，等效計算式為

(1)

(2)

圖4為根據式(1)繪制雙U型節流槽過流面積隨開度變化曲線。當開度較小時，過流面積呈陡斜式上升，且一級槽深度h1越大，過流面積變化率越大。隨著開度的增加，等效面積增加趨勢變緩。由于開度較小時一級槽起節流作用，h1深度越深，A11面積及面積增長率越大，這就導致小開度下h1=0.7 mm槽口等效過流面積最大，且過流面積變化率最高。h1=0.3 mm等效過流面積最小，面積增長趨勢較為平緩。因此，U型節流閥空化流場與開度、一級槽深度h1密切相關。

2.2 數值計算模型及參數設置

本文采用ANSYS Fluent 15.0對節流閥流場進行數值模擬，利用ANSYS Meshing模塊進行網格劃分。由于雙U型節流槽內部流道比較復雜，節流槽口附近流動狀態發生強烈變化，槽口附近的網格需要進行加密處理。為了保證良好的計算精度及計算資源的合理利用，采用了半切模型，并對網格進行無關性驗證，最終確定雙U型節流閥所采用的網格單元數為910 656，網格最小尺寸為0.02 mm×0.02 mm×0.02 mm。進口采用壓力入口(pressure-inlet)邊界條件，出口采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件；其他邊界設置為壁面，壁面采用無滑移條件。半切模型對稱面設為對稱面邊界(symmtry)，環境操作壓力設為0。計算過程中采用一階迎風格式離散化，殘差水平均設置為0.000 1。

由于研究的是不同雙U型節流閥口內的空化兩相流動特性，選取了采用Fluent環境下的混合模型(mixture)模型，標準k-ε模型作為流體運動的湍流模型，Schnerr-Sauer模型作為空化模型。控制方程則采用連續性方程、動量方程、體積分數方程及Rayleigh-Plesset方程。

3 節流槽口流場分析

試驗中透明閥入口壓力保持5.0 MPa，出口壓力保持0.5 MPa。圖6為不同工況下節流槽口流量變化曲線，仿真得到的流量與試驗所測流量變化趨勢一致。隨著開度的增加，流經節流閥的流量逐漸增加。當開度小于0.8 mm時，試驗流量值較仿真流量值略小。隨著開度的不斷增大及試驗時間的延長，油液流量增大，系統溫度的升高導致液壓油黏度減小，促使試驗測得的流量值大于數值仿真結果。

圖7為雙U型節流閥在開度為0.7 mm，Pin=5 MPa，Pout=0.5 MPa典型流場情況。圖7為雙U型節流閥內的典型流場情況。從圖7(a)可以看出，油液從進口進入，在一級節流槽出口截面形成出射射流。當節流口處壓力低于飽和蒸汽壓時，會出現空化現象。節流槽出口處的泡群呈黑色片霧狀，且與出口截面呈一定角度、穩定存在。從圖7(a)中可以看出：空化區域大小及空化強度在閥芯左右兩側流道中均相同，因此重點關注左方流道的空化區域分布。圖7(b)為圖7(a)方框中對應的局部放大照片，閥口處空化區域較為狹長，受高速射流的影響，空泡流與閥芯出口截面呈一定角度，且指向閥腔下游。圖7(c)為對應的數值仿真結果，根據文獻[15]采用氣體體積分數作為空化程度及空化區域衡量的依據。空化區域位于節流槽出口處，且越靠近閥腔壁面氣體體積分數越大，空化發生越激烈。試驗所拍攝到空化區域位置及空化區域形狀與仿真得到的結果基本一致，空化強度和長度有區別主要是因為仿真過程中忽略了油液的溫度變化、可壓縮性以及流道表面粗糙度等因素的影響。

圖8為雙U型節流閥內部流場壓力和速度分布圖。圖8(a)表明：節流口為主要壓降區，由收縮流變為擴散流，是空化發生的主要區域。油液經過雙U型節流槽時，有兩次降壓過程，一級節流槽口的壓力明顯低于二級節流槽口。油液從一級節流口流出后進入下游流道，流動空間增大會導致壓力回升。圖8(b)可以看出：高流速區主要集中在節流槽口及下游流道中心。節流口處流速最高可達90 m/s，且該高速射流與閥壁呈一角度，這也是圖7中形成狹長空化流的原因。

4 結果分析和討論

4.1 工作參數對雙U型節流槽口內空化特性的影響

圖9為不同開度下雙U型節流閥口內流場分布情況，此時pin=5 MPa，pout=0.5 MPa。當節流閥開度介于0.3～0.9 mm時均有空化現象發生，主要位于節流槽出口壁面處。隨著開度不斷增加，空化區域及空化強度均呈現先增強再減弱的趨勢。雙U型節流槽結構速度和壓力梯度較大，且存在漩渦，流動較為復雜。當雙U型節流閥開度較小時，流體流經一級節流槽時通道狹窄，流體流動的阻力較大，抑制空化氣泡的析出和成長。此外，油液的黏性作用會抑制高速流體流向突變，從而減弱流體脫離壁面的程度，降低了流場的流速及高速區域大小，使空化更不容易發生。隨著開度的增大，節流槽過流面積增大，流動阻力及油液的黏性作用減小，氣泡更易于析出和成長，因此，在開度為0.5 mm附近空化強度增強，空化區域增大。隨著開度的進一步增大，雙U型節流槽各個節流面均起到分壓作用，節流槽內壓力變化更加平緩，空化區域及強度隨之減小。由試驗結果可知：不同閥口開度下閥腔下游空泡群產生的位置相同，均發生在節流槽出口近壁面處。隨著開度的增大，空泡團由剛開始的團狀逐漸收縮為細長狀，空化泡群延長，空化強度逐漸減弱。因為隨著開度的增加，流體射流角度和流速的改變，使得高速流體在閥腔下游軸向速度增加，促使氣泡隨流體運動的距離加長。此外，由于在數值仿真過程中忽略了油液溫度、可壓縮性、含氣量，節流槽加工精度、表面粗糙度等因素的影響，因為仿真和試驗結果獲得的空化流場外觀有一定的區別。

節流閥進出口壓差也是影響空化流場的一個重要特性。圖10為入口壓力5 MPa，出口壓力不斷增加情況下雙U型節流閥內空化流場的變化情況。空化區域及空化強度均隨著出口壓力的升高而減小。當背壓為0.3 MPa時，閥口內空化異常劇烈，近壁面處氣體體積分數比較大、呈飽和狀態。隨著出口壓力升高，空化區域范圍很快向閥口處縮減，空化強度也隨之減小。因此提升出口壓力可以有效地抑制空化。

4.2 結構參數對雙U型節流槽內空化特性的影響

由圖4討論可知一級槽深度h1是影響閥內流場的一個重要原因，因此，探討了開度為0.5 mm，Pin=5 MPa，Pout=0.5 MPa工況下，一級槽深度h1對雙U型節流槽空化特性的影響。圖11一級槽深度分別為0.3 mm,0.5 mm,0.7 mm時的雙U型節流閥空化流場。盡管一級槽深度逐漸增加，節流槽出口處均有空化現象產生，空化區域及空化強度亦逐漸增強。改變一級槽的深度時，節流槽出口處空泡形態變化不大，只是長度變大了。但是一級槽的深度增加時，空泡在下游閥腔內呈現的角度不同，該角度與節流槽內流束射流角一致。當一級槽深度0.3 mm時，空化呈團狀，依附在節流閥口。當一級槽深度0.7 mm時，空泡群與節流槽出口處的角度增大，在高速射流的作用下空泡群密度增大，且閥腔近壁面處有大量微小懸浮氣泡。

圖12為不同一級槽深度時雙U型節流閥內部流場的速度與壓力分布云圖。從圖12(a)速度云圖可以看出，不同深度參數下節流閥內均有高速流產生，且一級槽深度值越大，高速流范圍越大。高速流射流角度受節流槽結構的影響，隨著一級槽深度的增加不斷增大。當一級槽深度為0.3 mm時，流束在節流面A11處收縮形成高速流，節流槽內油液流動阻力較大，流體的黏性作用抑制了高速流的產生，不利于空化的產生。當深度達到0.5 mm時，一級槽高度增加，節流面A11對流體節流作用減弱，過流面積增大，流體的黏性阻力減弱，高速區域明顯增大。當一級槽深度達到0.7 mm時，高速流區域繼續擴展，節流面A12附近壓力梯度逐漸增加，低壓區范圍增大，從而導致閥口處空化區域及空化強度不斷增大。從圖12(b)壓力云圖可以看出：節流閥內的壓降主要集中在一級節流槽內，隨著一級槽口深度的增加，二級槽內的壓力不斷降低。這主要是由于一級槽深度較淺時，對流體的阻礙作用較強，油液堆積在二級槽內形成較高的壓力區域。隨著槽口深度的增加，過流面積增大，流體的黏性作用減弱，節流槽內的油液可以更加順暢的流向一級槽，二級槽內壓力隨之降低。槽口深度為0.3 mm時，壓力梯度較大的區域主要分布在節流面A11。節流面A12的分壓作用不顯著。隨著一級槽深度的不斷增加，主要壓降區域位置發生改變，由節流面A11逐漸向節流面A12轉移。

圖13為不同節流槽深度情況下，流道中心線上速度和壓力分布情況。從圖13(a)可以看出：當流體從A點流向B點時，速度均緩慢上升，在流經B點時，由于節流面A11對流束起收縮作用，槽內流速迅速上升，且槽口深度越淺，速度變化率越高。在軸向距離CD段，油液從節流閥口流出，并在閥腔拐角形成回流區，回流區中心速度相對較低，因此在D點附近速度存在一個先下降后上升的趨勢。受高速流射流角度不同的影響，速度最高點在閥腔下游幾何中心線上出現的位置不同，由于一級槽深度0.7 mm時流束射流角度較大，所以最大速度位置最先出現。此后，油液流向E點時，通流面積增大導致液壓油流動速度降低至5 m/s左右。從圖13(b)可以看出：一級槽深度的變化對雙U型節流槽內部壓力變化有顯著影響。不同一級槽深度的雙U型節流閥，盡管內部壓力值在A點大小不同，但在AB段的壓降梯度相差不大。觀察BC段，一級槽深度為0.3 mm時，節流槽內部壓力由B點的4.8 MPa下降到C點的2.1 MPa，壓降達到2.7 MPa。而一級槽深度為0.7 mm時的槽內壓力由B點的4.6 MPa降到C點的4 MPa，壓降僅為0.6 MPa。BC段壓降是一級槽開始起分壓作用所引起的，一級槽深度越淺，流體在接近一級槽時流體阻力越大，由一級槽豎直節流面承擔的壓降就越大，BC段壓力差值越大。當流體流過CD段時，由于該處節流槽結構復雜，存在局部阻力，造成流體的局部壓力損失，壓力呈階躍式下降，壓力降低至飽和蒸氣壓。觀察D處可以發現，一級槽深度較淺時，最低壓力值較高，壓力恢復速度快，隨著一級槽深度的增加，最低壓力值降低，壓力恢復速度降低，更有利于空化泡的析出與成長。

為了進一步說明槽口深度對空化發生程度的影響，提取空化面積隨一級槽深度變化曲線，如圖14所示。當進出口壓差保持恒定情況下，空化面積隨著一級槽口深度增加而增大。這主要是由于隨著一級槽深度變深，節流槽阻力減小，壓力恢復變慢，流體經過節流口處壓力驟降，造成大范圍的低壓區域，空化面積變大。由此可以得出，合理控制雙U型節流槽深度或增加節流槽內部阻力,可以有效地抑制空化發生程度。

5 結 論

本文采用試驗研究與數值模擬結合的方法，分析了雙U型節流閥內部空化流場及其影響因素。研究結果表明：雙U型節流閥空化區域主要發生在節流閥口附近，空化區域及空化強度隨開度的增加呈現先增大后減小的趨勢；提高節流閥的出口壓力，有利于阻礙低壓區的發展，對空化現象有抑制作用。此外，由于雙U型節流閥多個節流面共同節流，節流槽內壓力梯度較小，不利于空化泡的析出和成長。當開度比較小得時候，一級槽深度是影響閥內流場的重要因素。隨著一級槽深度的增加，節流槽阻力減小，高流速區范圍增大，空化區域及空化強度逐漸增強。減小一級槽深度可以有效抑制空化。本文的結果可為深入探討液壓滑閥節流處空化機理，明確空化現象造成的滑閥閥芯失效原因，提高節流閥性能、降低系統振動噪聲和延長節流閥服役壽命提供借鑒。