基于Fluent的節(jié)流閥油液空化流場(chǎng)數(shù)值分析

李貝貝，劉秀梅，2，3，龍 正，賀 杰，李文華

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省礦山機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116）

基于Fluent的節(jié)流閥油液空化流場(chǎng)數(shù)值分析

李貝貝1，劉秀梅1，2，3，龍 正1，賀 杰1，李文華1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省礦山機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116）

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，數(shù)值研究了節(jié)流閥開度變化對(duì)節(jié)流閥內(nèi)油液壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及空化區(qū)域的影響。流道內(nèi)壓力較大區(qū)域位于上流道，壓力較小區(qū)域位于下流道。節(jié)流口處壓力梯度隨閥口開度減小呈增大趨勢(shì)；液壓油低流速區(qū)分布在上游槽底部、閥芯頂端及閥腔拐角處。隨著閥口開度減小，在通流截面積和油液黏性阻力共同作用下，通過節(jié)流口處流體流速呈先增大后減小趨勢(shì)；在上游閥座底部、閥芯頂端處、閥腔拐角附近存在三個(gè)回流區(qū)，該回流區(qū)面積隨閥口開度減小而減??；由于節(jié)流口處氣體體積分?jǐn)?shù)較高，因此空化初始位置位于節(jié)流口閥座附近，下游空化區(qū)則是游離性氣泡群造成的。此外，隨著開度進(jìn)一步減小，空化強(qiáng)度呈先增強(qiáng)后減弱趨勢(shì)，空化區(qū)域也呈先擴(kuò)大后縮小趨勢(shì)。

節(jié)流閥；流場(chǎng)分析；空化；數(shù)值模擬

液壓技術(shù)利用液體壓力能進(jìn)行能量傳遞，具有動(dòng)作迅速、功率密度大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中已取得了廣泛的應(yīng)用［1－3］。液壓節(jié)流閥作為液壓系統(tǒng)控制元件，在液壓技術(shù)中扮演著十分重要的角色，但其噪聲問題比較嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了液壓技術(shù)的發(fā)展。由于空化現(xiàn)象是誘發(fā)液壓元件噪聲的最普遍、最主要原因之一，它直接影響到液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性［4］，因此充分了解液壓節(jié)流閥閥腔內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，研究閥芯、閥座與流體的相互作用機(jī)制就顯得十分必要。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)液壓元件內(nèi)空化現(xiàn)象做了大量的研究。Oshima等［5］利用半切模型對(duì)錐閥氣穴流動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致的研究，在半切錐閥的平面上覆蓋有機(jī)玻璃板用來觀察氣穴，得出錐閥流向與氣穴、流量和噪聲特性的關(guān)系。Jazi等［6］通過特性要素圖及聲發(fā)射兩種方法研究球形閥內(nèi)的空化空蝕現(xiàn)象。王松林等［7］數(shù)值模擬了小流量工況下離心泵內(nèi)瞬態(tài)空化流動(dòng)情況。浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室［4］從流場(chǎng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)可視化角度研究了錐閥與球閥閥口的氣穴流動(dòng)及溢流閥中的氣穴噪聲。劉曉紅等［8］提出了3種基于壓力分布模式來評(píng)價(jià)液壓錐閥內(nèi)空化噪聲。于今等［9］運(yùn)用CFD數(shù)值模擬了板式節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)，指出閥芯處的氣蝕以及閥出口處的漩渦流是誘發(fā)閥芯和閥體振動(dòng)的主要原因。偶國(guó)富等［10］數(shù)值計(jì)算了閥內(nèi)空化場(chǎng)并提出了空蝕預(yù)測(cè)方法。Liu等［11］指出空化噪聲是換向閥內(nèi)噪音的主要組成部分，主要由流場(chǎng)中氣相改變?cè)斐傻?。劉恒龍等?2］數(shù)值分析了四種不同閥口形狀下液壓錐閥內(nèi)部空化流場(chǎng)，提出了三種錐閥的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)以油為工作介質(zhì)的液壓閥體內(nèi)空化現(xiàn)象的深入研究還很少，空化機(jī)理尚不清楚。此外，多數(shù)文獻(xiàn)都是研究閥口開度較大或開度間隔較大情況下節(jié)流閥內(nèi)部的流場(chǎng)特性，開度細(xì)微變化和小開度時(shí)節(jié)流閥內(nèi)的流場(chǎng)分析較少，且對(duì)空化區(qū)域大小和空化程度強(qiáng)弱沒有定量的表述。因此，本文主要運(yùn)用Mixture模型及Singhal等發(fā)展的空化模型針對(duì)不同開度下節(jié)流閥閥口附近液壓油的空化現(xiàn)象。

1 計(jì)算模型與控制方程

1.1 計(jì)算模型

考慮到節(jié)流閥內(nèi)空化主要發(fā)生在閥口附近，且閥口附近流道具有中心對(duì)稱性，所以在CFD仿真中采用圖1所示節(jié)流閥內(nèi)部流道空化仿真的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱模型，其中定義X為節(jié)流閥開度。為了完成閥口空化的數(shù)值仿真，本文做出如下假設(shè)：液壓油為不可壓縮流體，空化泡內(nèi)氣體介質(zhì)為液壓油蒸汽，空化流動(dòng)過程視為恒溫絕熱過程，且忽略重力的影響。入口邊界壓力為0.8 MPa，出口邊界壓力為0.2 MPa，axis為旋轉(zhuǎn)軸。

圖1 幾何模型（單位：mm）Fig.1 Numerical Models

1.2 控制方程組

在節(jié)流閥內(nèi)空化流動(dòng)的計(jì)算選用了Fluent軟件中的Mixture模型，且空化流動(dòng)采用Singhal等發(fā)展的全空化模型完成計(jì)算。其中在Mixture模型假定下，在較小的空間長(zhǎng)度尺度范圍內(nèi)，液相和空泡相相間耦合強(qiáng)烈且滿足局部平衡條件。因此，可以將空化流動(dòng)中流體相和空泡相作為統(tǒng)一的流體進(jìn)行研究，即采用如下控制方程組［13－14］：

（1）連續(xù)性方程

混合流體相：

式中，ρm為油相與泡內(nèi)氣體相混合流體的密度，ρv、ρl為分別為空泡相（液壓油蒸汽）、流體相（液壓油）的密度，vm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?jǐn)?shù)，Re為油蒸汽產(chǎn)生率，Rc為油蒸汽凝結(jié)率，p為流體靜壓力，Ev、El分別為空泡相、流體相能量，T為流體的溫度，keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)。

其中，為了描述空化的發(fā)生與潰滅過程，空化流動(dòng)過程中油蒸汽產(chǎn)生率Re和凝結(jié)率Rc由描述空泡動(dòng)力學(xué)特性的Rayleigh-Plesset方程（式5）導(dǎo)出

式中，RB為空化泡半徑，pB為泡內(nèi)壓強(qiáng)，μ為液壓介質(zhì)黏性，σ為液壓介質(zhì)表面張力。

此外，本文所采用的湍流模型為基于Boussinesq假設(shè)的雷諾應(yīng)力關(guān)聯(lián)式［15］：

AQUATECH CHINA上海國(guó)際水展將于2012年6月6—8日在上海世博展覽館舉行。此次展會(huì)規(guī)模將達(dá)5萬m2，參展商逾1000家，展會(huì)將專業(yè)呈現(xiàn)最新最全面的解決方案，讓觀眾盡覽完整水行業(yè)全貌。

式中，ρ為流體密度，u′i、u′j分別為x，y方向上的脈動(dòng)速度分量分別為x，y方向上的平均速度分量，k為單位質(zhì)量的湍流脈動(dòng)能，ut為渦黏性系數(shù)，δij為單位張量。

1.3 計(jì)算方法及邊界條件

針對(duì)上述控制方程組在空間進(jìn)行離散，采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合，壓力項(xiàng)離散格式采用Standard格式，其它項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式。針對(duì)圖1所示的流道幾何模型采用非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并結(jié)合流動(dòng)特點(diǎn)對(duì)流道閥口位置及閥口后部空化區(qū)域設(shè)置較密的網(wǎng)格。同時(shí)根據(jù)該網(wǎng)格劃分方案計(jì)算不同密度的兩種網(wǎng)格并對(duì)數(shù)值解進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定本文計(jì)算所采用的網(wǎng)格單元數(shù)61129。在計(jì)算的進(jìn)口邊界設(shè)定絕對(duì)進(jìn)口壓力0.8 MPa，出口邊界設(shè)定絕對(duì)出口壓力0.2 MPa，同時(shí)進(jìn)出口邊界的空泡相體積分?jǐn)?shù)均為0，壁面采用無滑移邊界條件。此外，計(jì)算過程中均采用較小的松弛因子以提高計(jì)算的穩(wěn)定性。

2 數(shù)值結(jié)果分析

基于上述數(shù)值計(jì)算模型，本文完成開度分別為2、1.5、1.2、1、0.8、0.6、0.4、0.2mm時(shí)節(jié)流閥內(nèi)部空化流場(chǎng)。

2.1 速度場(chǎng)分析

如圖2及圖3所示的不同開度下節(jié)流閥內(nèi)流速大于等于30 m／s的流場(chǎng)分布，圖中虛線分別為不同開度下流速等于30 m／s的速度等值線，實(shí)線分別為不同開度節(jié)流閥的流道內(nèi)邊界。此外，本文同時(shí)得到了不同開度下節(jié)流閥內(nèi)最大速度的變化曲線，如圖4所示。從圖2～圖3中容易得出：由于通流截面積的突然縮小會(huì)導(dǎo)致流速升高，所以節(jié)流閥口處和節(jié)流口下游流道中心有高流速區(qū)域出現(xiàn)，且這一高速區(qū)域的大小及最大流速均隨著閥口開度減小而增大，其中最大流速?gòu)拈_度為2.0 mm時(shí)的35 m／s增加到開度為1.0 mm時(shí)的38 m／s；但開度降低到1.0 mm后，由于通流面積的減小，液體黏性阻力的作用使得最大流速降低，高流速區(qū)域亦逐步變小且主要集中在節(jié)流口縫隙內(nèi)，最大流速則從38 m／s減小到開度為0.2 mm時(shí)的34 m／s。

圖2 大開度下30 m／s速度等值線圖Fig.2 Velocity isograms under large openings

圖3 小開度下30m／s速度等值線圖Fig.3 Velocity isograms under small openings

圖4 不同開度下節(jié)流閥內(nèi)最大流速Fig.4 The Maximum velocity under different openings

此外，在上游槽底部和閥芯頂端處容易產(chǎn)生旋渦，節(jié)流閥閥腔拐角處也極易出現(xiàn)流體脫離而成為低流速區(qū)，如圖5（a）～（h）所示的不同開度下節(jié)流閥內(nèi)流體流線圖。從圖中可以看到閥口流線轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生流體分離現(xiàn)象，并出現(xiàn)渦流。在上游閥座拐角處、閥芯頂端及閥腔拐角處附近存在三個(gè)非常明顯的回流區(qū)。閥座拐角處的旋渦尺度小，強(qiáng)度大，而下游旋渦尺度大，強(qiáng)度弱。回流區(qū)流速及旋渦強(qiáng)度都較強(qiáng)，消耗主流能量較大，導(dǎo)致壓降與能量的降低。旋渦中心壓力也較低，這些低壓區(qū)的存在是導(dǎo)致流體氣穴產(chǎn)生的主要原因。從流線圖中還可以看出，改變閥口開度，流場(chǎng)中旋渦的尺度與強(qiáng)度亦會(huì)發(fā)生改變。下游的旋渦的位置也發(fā)生了改變。與閥口開度2 mm的流場(chǎng)比較，閥口開度為1.2 mm時(shí)，閥腔拐角處旋渦尺度變大，閥座拐角的旋渦流線加密，下游旋渦流線變疏，且回流中心向下游方向移動(dòng)，所以閥座拐角處的旋渦強(qiáng)度增大，下游旋渦強(qiáng)度減小。這主要是由于閥芯倒角與閥座銳緣相對(duì)位置的改變導(dǎo)致液體流向發(fā)生變化而引起的。氣穴集中在旋渦中心，其次閥芯頂端及閥腔拐角處也有少許氣穴。隨著開度進(jìn)一步減至0.8 mm，閥芯頂端處旋渦流線加密，上游閥座拐角處旋渦面積變小，下游閥腔拐角處回流區(qū)面積持續(xù)呈減小趨勢(shì)，但回流中心向上游方向移動(dòng)。

2.2 壓力場(chǎng)分析

圖6（a）～（h）是不同開度下節(jié)流閥內(nèi)壓力分布圖。從圖中可以看出：流道內(nèi)壓力較大區(qū)域位于上流道，壓力較小區(qū)域位于下流道。低壓區(qū)域主要分布在節(jié)流口下游壁面處和閥芯倒角處，壓降區(qū)主要分布在節(jié)流口附近，這與文獻(xiàn)［16］高速觀測(cè)中氣穴出現(xiàn)的位置吻合。

如圖6（a）～（c）所示，當(dāng)開度從2 mm減小到1.2 mm時(shí)，節(jié)流口下游閥腔拐角處低壓區(qū)（藍(lán)色區(qū)域）逐步向下游及流道中心擴(kuò)展。此外，油液噴出閥口后，在節(jié)流口處形成較大壓降，節(jié)流口處壓力從0.75 MPa減小到0.002 4 MPa，這是因?yàn)楣?jié)流閥開度越小，節(jié)流口節(jié)流作用越強(qiáng)，節(jié)流口縫隙成為壓力降低的主要區(qū)域。當(dāng)開度繼續(xù)從1.2 mm降低到0.2 mm時(shí)，如圖6（d）～（h）所示，流道內(nèi)低壓區(qū)向節(jié)流口處萎縮，節(jié)流口處壓力梯度進(jìn)一步增大。其原因?yàn)椋捍藭r(shí)節(jié)流閥開度較小，流體通過節(jié)流口時(shí)流速較高且受節(jié)流閥閥芯倒角影響較大，流體流向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致高流速流體的流動(dòng)區(qū)域發(fā)生改變，從而導(dǎo)致低壓區(qū)呈縮小趨勢(shì)并向節(jié)流口處轉(zhuǎn)移［16］。

圖5 不同開度下的流線圖Fig.5 Flow charts under different openings

圖6 不同開度下節(jié)流閥內(nèi)壓力分布云圖Fig.6 Pressure contours under different openings

2.3 空化區(qū)域分析

氣體體積比作為空化程度以及空化區(qū)域的衡量依據(jù)［10，17］，圖7～圖8為不同開度下節(jié)流閥內(nèi)空化區(qū)域分布圖，即氣體體積分?jǐn)?shù)大于等于1%的等值線圖。從圖中可以看出：當(dāng)節(jié)流閥開度介于0.2～2 mm時(shí)節(jié)流閥內(nèi)部均有空化現(xiàn)象發(fā)生，且主要發(fā)生在閥腔拐角處回流區(qū)內(nèi)。閥腔拐角處的低壓區(qū)對(duì)應(yīng)的氣體體積比最高，閥芯頂端旋渦流型區(qū)的氣體體積比也相對(duì)較高，由此可見氣穴發(fā)生的程度與流場(chǎng)壓力分布有直接的關(guān)系。由于空化初始位置位于節(jié)流口閥座附近，下游空化區(qū)則是游離性氣泡群造成的，這與文獻(xiàn)［13］中實(shí)驗(yàn)觀察到的氣穴發(fā)生區(qū)域基本一致。此外，隨著開度進(jìn)一步減小，空化強(qiáng)度呈先增強(qiáng)后減弱趨勢(shì)，空化區(qū)域也呈先擴(kuò)大后縮小趨勢(shì)。即開度從2mm降至1.2mm過程中，空化強(qiáng)度逐步增加，空化區(qū)域迅速增大；節(jié)流閥開度從0.6mm降至0.2mm過程中由于狹窄的流道增大了流動(dòng)阻力，降低了流場(chǎng)的流速，從而抑制了空化的初生，所以空化強(qiáng)度迅速減弱，空化區(qū)域逐步縮小。

圖7 大開度下氣體體積分?jǐn)?shù)1%等值線圖Fig.7 Cavitation isograms under large openings

圖8 小開度下氣體體積分?jǐn)?shù)1%等值線圖Fig.8 Cavitation isograms under small openings

3 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬的方法對(duì)不同開度下節(jié)流閥內(nèi)液壓油的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析了節(jié)流口開度變化對(duì)節(jié)流閥內(nèi)部空化現(xiàn)象的影響。研究結(jié)果可對(duì)液壓節(jié)流閥結(jié)構(gòu)在節(jié)能、降噪等方向的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。本文具體結(jié)論如下：

（1）節(jié)流閥開度的變化會(huì)影響節(jié)流閥內(nèi)部油液低壓區(qū)面積和壓降區(qū)域整體分布。隨著節(jié)流閥開度減小，低壓區(qū)呈先擴(kuò)大后減小趨勢(shì)。

（2）隨著節(jié)流閥開度減小，節(jié)流閥內(nèi)液壓油最大速度呈先增大后減小趨勢(shì)，高流速區(qū)域呈向節(jié)流口處先擴(kuò)展后萎縮趨勢(shì)；閥腔拐角處回流區(qū)面積也隨開度減小呈先擴(kuò)展后萎縮趨勢(shì)，這是由于通流截面積和粘性阻力共同作用的結(jié)果。

（3）當(dāng)節(jié)流閥開度較大時(shí)，空化區(qū)域較小且空化強(qiáng)度較弱。隨著節(jié)流閥開度進(jìn)一步減小，空化區(qū)域逐步增大且空蝕程度逐漸加深，當(dāng)開度很小即接近閉合時(shí)，空化強(qiáng)度迅速降低，空化區(qū)域逐步萎縮至節(jié)流口處。

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Simulation and analysis for cavitation flow field in a throttle valve based on Fluent

LIBei-bei1，3，LIU Xiu-mei1，2，3，LONG Zheng1，HE Jie1，LIWen-hua1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.The State Key Laboratory 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 and Technology，Xuzhou 221116，China）

Based on computational fluid dynamics，characteristics of cavitation flows in a throttle valve with different openings and pressures were studied.The influences of opening on flow pressure，flow velocity and cavitation region were also investigated.The numerical results showed that themaximum pressure is located at the upstream of the flow channel，and theminimum pressure is located at the downstream of the flow channel；the pressure gradient for oil flowing increaseswith decrease in opening；the low-velocity regin of oil is at the top of valve rod，the corner of the channel and the corner of the valve seat；with decrease in opening，the oil flow velocity passing through the port increases firstly and then decreases under the action of cross-sectional area and oil viscosity；there are three recirculation zones at the top of valve rod，the corner of the channel and the corner of the valve seat，they all decrease with decrease in valve opening；the cavitation initial position is near the valve seat，and the cavitation region at the downstream is caused by uncombined bubble clusters；in addition，with decrease in valve opening，both the cavitation intensity and cavitation region increase firstly and then decrease.

throttle valve；flow field analysis；cavitation；numerical simulation

TH137；O359

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.010

國(guó)家自然科學(xué)基金（51209203，51309221，51205391）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012131）；浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（GZKF－201317）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

2014－06－04 修改稿收到日期：2014－08－07

李貝貝男，博士生，講師，1984年生

劉秀梅女，副教授，1982年生