2D閥先導級氣穴特性的可視化實驗

黃程威,陸倩倩,張 瑤

(1.浙大城市學院 工程學院,浙江 杭州 310015; 2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院,浙江 杭州 310014)

引言

二維(Two-dimensional,2D)閥[1],同時具有先導級控制和功率級放大的功能,具有體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,固有頻率高,動態(tài)性能好,零位泄漏小等優(yōu)點,且全橋的先導級結(jié)構(gòu)提高了抗污染能力[2]。目前,2D閥已應用于航空航天、船舶和機械等多個領(lǐng)域。但是,為減小2D閥的中位泄漏,先導級的閥口正開口量僅幾十微米。工作時,因2D伺服閥本身的位移反饋作用,先導級閥口開度也在毫米級以下。因此,流體流經(jīng)先導級閥口時,節(jié)流口面積突變會導致流速增加,產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,導致振動、噪聲等不良影響[3]。白繼平等[4]通過Fluent仿真研究2D數(shù)字閥閥口處的氣穴現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)閥芯高速轉(zhuǎn)動和閥口節(jié)流是氣穴產(chǎn)生的主要誘因,但并未提出改進之法。牛夢奇等[5]研究了閥口倒角角度對氣穴大小和氣體范圍的影響。陸倩倩等[6]針對2D伺服閥矩形先導級處氣穴現(xiàn)象的影響因素進行仿真研究,發(fā)現(xiàn)氣穴現(xiàn)象與入口速度、出口壓力、閥口開度等因素有關(guān)。廖伯權(quán)等[7]研究了水滴迷宮式調(diào)節(jié)閥閥口處增加圍堰后的氣穴,發(fā)現(xiàn)圍堰有效抑制了氣穴,且矩形結(jié)構(gòu)的抑制效果優(yōu)于圓形結(jié)構(gòu)。陳偉杰等[8]以閥口開度、入口壓力、敏感腔體積和先導級結(jié)構(gòu)這4個因素為研究對象,對先導級氣穴進行仿真研究。可見,目前對2D閥或閥口的氣穴研究都是以仿真為主,雖然仿真可視化已經(jīng)得到專業(yè)認可,但是仿真結(jié)果都是基于一定假設(shè)和理想的數(shù)學模型得出的,與實際的流場之間存在偏差,所以,需要通過可視化實驗對仿真結(jié)果進行驗證和補充。

MCHENYA JACOB M等[9]設(shè)計了液壓噴嘴擋板伺服閥的流場可視化實驗,運用高速攝像機和紫外線照射進行拍攝。許磊[10]使用高速攝像機等器材輔助可視化實驗研究,能夠更清楚地研究離心泵的氣穴特性。王君等[11]為研究離心泵內(nèi)的氣穴現(xiàn)象,使用頻閃儀與高速攝像機拍攝實驗現(xiàn)象,并設(shè)計了實驗檢測系統(tǒng)來完成可視化實驗。袁寶剛等[12]為研究液壓閥內(nèi)部產(chǎn)生的氣穴、噪聲和振動,采用了能夠進行圖像與數(shù)據(jù)采集的可視化實驗方法,使用高速攝像機和硬件觸發(fā)的同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集儀以實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。SONG Wenzhe等[13]為證明s-UTLHP的高通熱散熱在狹窄空間的可行性采取了可視化實驗,并研究了流體的沸騰流動和冷凝循環(huán)的特性,結(jié)果比理論研究更加直觀。可見,可視化實驗能夠?qū)嶒炈玫臄?shù)據(jù)更直觀清晰地顯示出來。

因此,本研究旨在通過對2D閥先導級流場可視化實驗臺的搭建和閥口處流場現(xiàn)象的圖像捕捉,使氣穴研究更加吻合實際。本研究分別開發(fā)了2D閥矩形和弓形兩種先導級的可視化實驗裝置,并結(jié)合Fluent軟件進行仿真分析。研究閥口開度、入口壓力、敏感腔體積和節(jié)流口形狀對氣穴與氣相分布的影響規(guī)律,在可視化實驗結(jié)果的支持下,增加了研究結(jié)果的可靠性。

1 2D閥可視化實驗裝置介紹

1.1 2D閥工作原理及先導級結(jié)構(gòu)

以2D伺服閥為例,其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示,先導級處的感受通道與高壓腔和低壓腔分別形成高壓節(jié)流口和低壓節(jié)流口,這2個節(jié)流口組成半橋回路。當處于零位時,2個節(jié)流口面積相等,敏感腔面積為高壓腔(右)面積的2倍,此時2D閥處于平衡狀態(tài)。當閥芯按照如圖1右側(cè)所示的方向轉(zhuǎn)動時,高壓節(jié)流口面積增大,低壓節(jié)流口面積減小,感受通道內(nèi)壓力增加,即敏感腔內(nèi)壓力增加,致使閥芯右移,直到高壓節(jié)流口面積與低壓節(jié)流口面積重新相等時閥芯停止運動,處于新的平衡狀態(tài)。

圖1 2D伺服閥工作原理簡圖

目前,2D閥的先導級閥口結(jié)構(gòu)主要有矩形和弓形兩種,即感受通道和高低壓腔形成的節(jié)流口呈弓形和矩形,如圖2所示。

1.高壓腔 2.低壓腔 3.矩形節(jié)流口 4.弓形節(jié)流口 5.感受通道

1.2 可視化裝置

可視化模型是觀測高速流場的必要條件[14]。本研究設(shè)計了2種先導級結(jié)構(gòu)的實驗裝置,即感受通道分別與矩形槽、圓孔形成的矩形閥口和弓形閥口,如圖3a、圖3b所示。為了實現(xiàn)實驗的可視化,有利于高速攝像機采集圖像數(shù)據(jù),閥套使用PMMA高透明性有機玻璃,閥芯和安全罩殼使用不銹鋼,加工并組裝成如圖3c、圖3d所示的實物圖。

1.入口 2.高壓腔 3.高壓節(jié)流口 4.感受通道 5.低壓節(jié)流口 6.低壓腔 7.出口 8.敏感腔

實驗測試原理如圖4所示,可視化實驗裝置的系統(tǒng)如圖5所示,整個系統(tǒng)由液壓泵站、2D伺服閥先導級實驗裝置、高速攝像機、光源和電腦組成。首先,液壓泵站通過輸油管連接閥芯入口供油;其次,液壓油通過閥芯流道流至高壓腔;然后,通過高壓節(jié)流口流至感受通道后,分別流向敏感腔和低壓節(jié)流口,并從低壓節(jié)流口流至低壓腔;最后,通過與低壓腔相連接的輸油管返回至泵站。敏感腔處設(shè)有測壓口與壓力表相連,通過此壓力表測得的壓力值和入口壓力表測得的壓力值推算實驗時的閥口開度。根據(jù)流量公式:

(1)

1.液壓泵 2.溢流閥 3.過濾器 4.壓力表 5.油箱 6.壓力表 7.光源 8.高速攝像機 9.計算機

1.筆記本電腦 2.液壓泵站 3.2D伺服閥先導級實驗裝置 4.光源 5.高速攝像機

(2)

式中,Q1,Q2——高(低)壓腔流量,m3/s

Cd——流量系數(shù)

A1,A2——高(低)壓節(jié)流口面積,m2

p——入口壓力,Pa

pb——敏感腔處壓力,Pa

由于高低壓節(jié)流口屬于同一流道,遵循動量守恒與質(zhì)量守恒,所以高壓腔流量與低壓腔流量相同,即Q1=Q2,A1/A2=[pc/(p-pc)]1/2,高(低)壓節(jié)流口面積分別是:

A1=l(x0+x1)cosα

(3)

A2=l(x0-x1)cosα

(4)

式中,l——高(低)壓腔與感受通道重疊的長邊長度,mm

x0——閥口初始開度,mm

x1——閥口旋轉(zhuǎn)的周向距離,mm

α——感受通道的螺紋升角,(°)

根據(jù)式(1)～式(4),即可確定閥口旋轉(zhuǎn)的周向距離x1:

(5)

所以,通過壓力表測得的入口壓力p與敏感腔壓力pb即可確定閥口開度xv=x0+x1。

為清晰地觀察2D閥先導級的氣穴現(xiàn)象,在實驗裝置觀察側(cè)的0.15 m處放置帶有微距鏡頭的高速攝像機,并通過光源照射實驗裝置使實驗結(jié)果更清晰,實驗臺中設(shè)備詳情如表1所示。

表1 實驗設(shè)備列表

2 先導級氣穴理論分析與仿真研究

2.1 理論分析

氣穴現(xiàn)象是液壓閥中常見的現(xiàn)象,影響液壓元件的工作性能[15]。在2D閥先導級流道模型中,內(nèi)部流體呈多相流狀態(tài)流動。流體控制方程如下:

1) 質(zhì)量守恒方程

液相連續(xù)性方程:

(6)

氣相連續(xù)性方程:

(7)

式中,ρm,ρn——液相和氣相的密度,kg/m3

αm,αn——液相和氣相所占的體積分數(shù),αm+αn=1

um,un——液相和氣相的質(zhì)量平均速度,m/s

m——氣穴時液相析出的氣體質(zhì)量

2) 動量方程

(8)

式中,Fi——x,y,z方向上的體力分量

τxi,τyi,τzi——x,y,z方向上的切應力分量,N/m2

根據(jù)伯努利原理,流體在最小的過流斷面處速度最大,壓力最低,即在流經(jīng)節(jié)流口時壓力最低,更容易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,如圖6所示,討論高壓節(jié)流口處的氣穴現(xiàn)象,列出a-a至c-c處的伯努利方程[16]:

(9)

圖6 節(jié)流口氣穴分析圖

式中,pa——a-a截面處壓力,Pa

pc——c-c截面處壓力,Pa

va,vc——a-a,c-c截面處平均速度,m/s

ζc——c-c截面處阻力系數(shù)

αa,αc——動能修正系數(shù)

由于vc>>va,ha-hc過小,所以va和h1-h2忽略不計,v=Ccvc,Cc/Ca=xa/xc,αa與αc取1,簡化得到:

(10)

設(shè)ζc=0.44,Cc=0.65,xa=5.2,則:

(11)

(12)

式中,pv——液壓油汽化壓力

K——氣穴發(fā)生傾向系數(shù),值越小越容易發(fā)生氣穴

Ca——不產(chǎn)生氣穴時的流量系數(shù)極限值

2.2 仿真研究

根據(jù)10通徑2D閥先導級結(jié)構(gòu)尺寸,建立矩形與弓形先導級結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)先導級的軸向?qū)ΨQ性,只針對一側(cè)高低壓腔的流場開展研究,提取出其流體域。為研究矩形與弓形節(jié)流口高壓節(jié)流口處的氣穴現(xiàn)象,選取經(jīng)過高壓節(jié)流口,平行于斜槽且垂直于先導級的軸向?qū)ΨQ面的流體面為研究面,研究高壓節(jié)流口處的氣穴現(xiàn)象,如圖7所示。通過Meshing軟件中四面體網(wǎng)格方式劃分流體區(qū)域,如圖8所示。

1.研究面 2.出口 3.入口

圖8 先導級模型網(wǎng)格劃分

因節(jié)流口是流場面積梯度最大的區(qū)域,需對節(jié)流口處的網(wǎng)格加密,并進行網(wǎng)格無關(guān)性分析,如圖9所示。在網(wǎng)格數(shù)為4.32×105,5.44×105,6.98×105,10.34×105,13.98×105和18.26×105時,出口質(zhì)量流量的偏差率分別是3.45%,1.68%,0.86%,0.298%和0.10%,可知在網(wǎng)格數(shù)10.3×105后出口質(zhì)量流量的偏差率小于0.5%,再增加網(wǎng)格數(shù)對仿真結(jié)果的影響可以忽略不計,故選取10.3×105的網(wǎng)格數(shù)作為本研究的計算網(wǎng)格。

圖9 不同網(wǎng)格數(shù)下的出口質(zhì)量

3 實驗結(jié)果與分析

文獻[8]通過仿真研究詳細分析了矩形和弓形先導級閥口處氣穴的影響因素,即閥口開度、入口壓力、敏感腔體積和節(jié)流口形狀,為進一步驗證仿真結(jié)果可靠性,通過搭建的實驗臺對以上影響因素分別進行可視化實驗研究。

3.1 實驗與仿真一致性分析

通過Fluent軟件對先導級處的氣穴進行仿真研究,選用Mixture模型中的兩相流和k-ε湍流模型,主相為液壓油,密度為870 kg/m3,黏度為0.025 kg/(m·s);次相為空氣,密度為1.225 kg/m3,黏度為1.789×10-5kg/(m·s),并滿足Cavitation模型。設(shè)置入口為4 MPa 的壓力入口,出口為0.1 MPa的壓力出口,并將仿真結(jié)果與實驗現(xiàn)象進行對比。圖7中的研究面在仿真后的氣體輪廓云圖如圖10a、圖10b所示,入口壓力為4 MPa的實驗現(xiàn)象如圖10c、圖10d所示。

圖10 仿真與實驗對比

為確定實驗中先導級內(nèi)氣穴的氣體體積,通過對整個不規(guī)則氣泡進行積分處理,為更好的計算氣泡體積,對氣泡進行1.5倍的放大處理,將氣體的長度分成20份,分別確定每份的高度hi,求出每份體積,最后確定氣體體積V,如圖10c所示。

(13)

通過比較實驗和仿真的氣體體積結(jié)果,發(fā)現(xiàn)矩形節(jié)流口處的實驗和仿真的氣體體積分別是8.14 mm3和7.59 mm3,弓形節(jié)流口處的實驗和仿真的氣體體積分別是1.36 mm3和1.15 mm3,這些結(jié)果相近。而且通過對比氣體輪廓圖,發(fā)現(xiàn)兩者也相似,證實了實驗裝置的可靠性。

3.2 閥口開度的影響

為研究閥口開度對氣穴現(xiàn)象的影響,實驗在入口壓力為4 MPa,敏感腔長度為10 mm的條件下,分別對閥口開度為0.1,0.2,0.3,0.5 mm的情況進行了研究,先導級內(nèi)的氣穴現(xiàn)象如圖11所示。

圖11 不同閥口開度下的氣穴現(xiàn)象

氣體體積分布情況如圖12所示,發(fā)現(xiàn)當閥口開度在0.5 mm以內(nèi)時,氣穴隨著閥口開度的增大而減小,氣體體積從24.54 mm3降至0.95 mm3,氣體體積減少了96%,最終幾乎消失。

圖12 不同閥口開度下的氣體體積分布

根據(jù)式(9)可知,閥口開度的增大導致節(jié)流口面積增加,從而減小了節(jié)流口處的流速,同時壓力也會隨之升高,即pc的值增加,根據(jù)式(11),K的值也增加,減弱了氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.3 入口壓力的影響

為研究入口壓力對氣穴現(xiàn)象的影響,實驗在閥口開度為0.2 mm、敏感腔長度為10 mm的條件下,分別在入口壓力為2,4,5.6 MPa的情況下進行研究,先導級內(nèi)的氣穴現(xiàn)象如圖13所示。

圖13 不同入口壓力下的氣穴現(xiàn)象

氣體體積分布情況如圖14所示,可以看出,隨著入口壓力的增加,氣穴增強且分布范圍更大,氣體體積從3.09 mm3增加至12.55 mm3。在入口壓力范圍為2～4 MPa時,斜率為2.56;在壓力范圍為2～5.6 MPa時,斜率為2.628,變化率為0.0265。因此,在入口壓力為2～5.6 MPa的范圍內(nèi),氣體體積的變化近似呈線性增長趨勢。

圖14 不同入口壓力下的氣體體積分布

3.4 敏感腔體積的影響

為研究敏感腔對氣穴現(xiàn)象的影響,本研究通過改變敏感腔長度L的方式,實現(xiàn)對敏感腔體積的調(diào)整[8]。實驗在入口壓力為5.6 MPa,閥口開度為0.2 mm的條件下,分別在敏感腔長度為10,15,20,25 mm的情況下進行研究,先導級內(nèi)的氣穴現(xiàn)象如圖15所示。

圖15 不同敏感腔長度下的氣穴現(xiàn)象

氣體體積分布情況如圖16所示,可以發(fā)現(xiàn),隨著敏感腔體積的增加,氣穴顯著增強且氣體分布變得不規(guī)則,氣體體積增長快速,從8.14 mm3增加至34.42 mm3,平均增長速度達62%。

圖16 不同敏感腔長度下的氣體體積分布

3.5 節(jié)流口形狀的影響

為研究節(jié)流口形狀氣穴現(xiàn)象的影響,本研究以弓形節(jié)流口與矩形節(jié)流口為研究對象。實驗在敏感腔長度為10 mm,閥口開度為0.3 mm的條件下,分別在入口壓力為2,4,5.6 MPa的情況下進行研究,先導級內(nèi)矩形節(jié)流口與弓形節(jié)流口處的氣穴現(xiàn)象如圖13和圖17所示。

圖17 弓形節(jié)流口下不同入口壓力的氣穴現(xiàn)象

氣體體積分布情況如圖18所示,通過對比可以發(fā)現(xiàn),在相同條件下,矩形節(jié)流口比弓形節(jié)流口的氣穴更易受入口壓力等因素的影響。在矩形節(jié)流口處的氣穴分布更不規(guī)律,且隨著入口壓力的增加,矩形節(jié)流口處的氣穴增強程度更顯著且分布范圍更廣,氣體體積從3.09 mm3增加至12.55 mm3。與之相比,在弓形節(jié)流口處,氣穴變化較小,其氣體體積僅從1.04 mm3增加至1.77 mm3,氣體體積增量僅為矩形的8%。

圖18 不同節(jié)流口形狀下的氣體體積分布

通過上述4組實驗可以發(fā)現(xiàn),矩形節(jié)流口處的氣穴主要分布在左側(cè),結(jié)合仿真流場如圖19所示,可以發(fā)現(xiàn)高壓節(jié)流口左側(cè)的流線相對更密集。這可能是出口壓力低于敏感腔處的壓力,導致該處的流體流速更大,因此氣穴更明顯。還有一些其他可能因素仍需研究。

圖19 矩形先導級流場流線圖

4 結(jié)論

本研究對2D伺服閥先導級高壓節(jié)流口處的氣穴現(xiàn)象進行實驗研究,并結(jié)合仿真,分析了閥口開度、入口壓力、敏感腔體積和節(jié)流口形狀對氣穴的影響:

(1) 2D伺服閥先導級高壓節(jié)流口處會產(chǎn)生氣穴,并且當閥口開度在0.1～0.5 mm之間增加時,會抑制氣穴,氣體體積減少了96%,最終幾乎消失;

(2) 氣穴強度還會受入口壓力和敏感腔體積的影響。當入口壓力從2 MPa增加至5.6 MPa時,氣穴會隨之增強,氣體體積從3.1 mm3增長至12.6 mm3,且氣體體積的變化近似呈線性增長趨勢;氣穴也會隨著敏感腔體積的增大而增強,氣體體積增長快速,平均增長速度達62%,且氣體分布逐漸變得不規(guī)則;

(3) 先導級節(jié)流口形狀也會影響氣穴,且受其他因素的影響程度也是不同的。矩形節(jié)流口比弓形節(jié)流口的氣穴更易受入口壓力等因素的影響。具體而言,矩形節(jié)流口的氣體體積增加了9.5 mm3而弓形節(jié)流口只增加了0.7 mm3,氣體體積增量僅為矩形的8%;

(4) 隨著氣體沿節(jié)流口向感受通道內(nèi)擴散,氣體邊界從最初的類矩形形狀轉(zhuǎn)變成多段不規(guī)則形狀。