旋轉(zhuǎn)式換向閥非定常空化流動(dòng)特性研究*

吳萬榮，丁元根

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)式換向閥通過閥芯與閥套之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥口的切換，因此又稱轉(zhuǎn)閥，它是液壓激振系統(tǒng)中的重要控制元件，其作用在于能夠?qū)崿F(xiàn)液壓回路中油液的高頻換向。

由于旋轉(zhuǎn)式換向閥內(nèi)流道較復(fù)雜，導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)，其油液極易在閥內(nèi)形成漩渦、空化等現(xiàn)象；同時(shí)由于空化的周期性脫落、潰滅，會(huì)導(dǎo)致閥芯侵蝕、壓力脈動(dòng)以及噪聲等現(xiàn)象出現(xiàn)，從而影響到液壓激振系統(tǒng)的工作性能。因此，研究旋轉(zhuǎn)式換向閥內(nèi)部的流動(dòng)特性，對(duì)于液壓激振系統(tǒng)技術(shù)的提高具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究空化現(xiàn)象的重要手段，并且國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于空化現(xiàn)象也開展了大量的研究，并取得了不少成果[1-3]。

張健[4]針對(duì)錐型節(jié)流閥的空化問題，利用ASINA軟件對(duì)節(jié)流閥閥口進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了不同閥芯結(jié)構(gòu)下節(jié)流閥的壓力特性，為液壓閥的設(shè)計(jì)和噪聲控制提供了理論依據(jù)；王松林等[5]對(duì)離心泵內(nèi)部的非定?？栈鲃?dòng)進(jìn)行了仿真分析，探究了空化對(duì)于葉輪、葉片以及蝸殼壓力脈動(dòng)的影響，通過對(duì)比分析離心泵在空化和非空化條件下的壓力脈動(dòng)特性，得出了空化流動(dòng)時(shí)壓力脈動(dòng)的最大幅值大于非空化的結(jié)論；李樹勛[6]針對(duì)超臨界高溫高壓蒸汽疏水閥進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測了疏水閥內(nèi)部空化流動(dòng)的發(fā)生和發(fā)展情況，并研究了不同開度、不同壓力以及不同密封角度對(duì)內(nèi)部空化流動(dòng)的影響；劉秀梅[7]對(duì)節(jié)流閥內(nèi)部非定?？栈鲃?dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了節(jié)流閥內(nèi)部形態(tài)的周期性變化過程及其對(duì)應(yīng)的內(nèi)部流場的壓力脈動(dòng)特性；LIANG J[8]對(duì)滾珠止回閥進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)空化和非空化下的流量系數(shù)以及液動(dòng)力進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了空化現(xiàn)象的準(zhǔn)確性；HAN M[9]采用多相流模型對(duì)大流量比例插裝閥空化作用下的液動(dòng)力進(jìn)行了分析，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出了二級(jí)節(jié)流閥可以有效地抑制空化現(xiàn)象發(fā)生的結(jié)論；AUNG N Z[10]采用大渦模擬和多相流模型對(duì)不同入口壓力下的噴嘴擋板伺服閥前置級(jí)瞬態(tài)流場進(jìn)行了研究，對(duì)其空化區(qū)域分布和形態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了分析，并提出了一種有效的擋板形狀，有效減小了空化現(xiàn)象的發(fā)生；朱鈺[11]采用CFD方法對(duì)新型換向閥進(jìn)行了仿真，得到了不同閥口形式下的流量系數(shù)和液動(dòng)力。

上述文獻(xiàn)大多都是對(duì)泵或者其他類型閥所進(jìn)行的研究，并且大多都是穩(wěn)態(tài)下的研究，而對(duì)于轉(zhuǎn)閥的研究并不多見；但其方法和結(jié)果卻也可為轉(zhuǎn)閥的研究提供參考。

以轉(zhuǎn)閥為研究對(duì)象，筆者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同工況下轉(zhuǎn)閥非定常流動(dòng)特性進(jìn)行分析，研究轉(zhuǎn)閥內(nèi)部空化區(qū)域的分布規(guī)律，為轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工作原理

轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)1-閥體;2-閥套;3-閥芯;4-伺服電機(jī)

由圖1可知，轉(zhuǎn)閥主要由閥芯、閥套、閥體、伺服電機(jī)等組成。閥芯上分布有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個(gè)臺(tái)肩，閥芯臺(tái)肩Ⅰ和臺(tái)肩Ⅲ上的溝槽布置相同，閥芯臺(tái)肩Ⅱ和臺(tái)肩Ⅳ上的溝槽布置也相同。

閥芯和閥套的配合關(guān)系如圖2所示。

圖2 閥芯和閥套配合關(guān)系

圖2中，閥芯臺(tái)肩上分布有10個(gè)溝槽，在閥套上也有相同數(shù)量的窗口，閥芯臺(tái)肩上相鄰溝槽之間的中心角β為36°，臺(tái)肩上溝槽所對(duì)應(yīng)的圓心角α為β/4，相鄰臺(tái)肩Ⅰ和Ⅱ上的溝槽相互錯(cuò)位分布，錯(cuò)位角度為β/2，閥套上對(duì)應(yīng)的窗口不錯(cuò)位。隨著伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，閥芯臺(tái)肩上的矩形溝槽與閥套上的窗口重疊形成節(jié)流閥口，且節(jié)流閥口的面積隨閥芯的旋轉(zhuǎn)成周期性變化，呈現(xiàn)出由小變大，再由大變小的趨勢(shì)。

其中，閥口打開過程如圖2(a)所示。當(dāng)閥芯的旋轉(zhuǎn)角度為0到β/2之間時(shí)，閥芯做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥口開度先由小變大，再由大變小，該過程中閥芯臺(tái)肩Ⅰ和Ⅲ的溝槽與閥套上的窗口打開；閥口關(guān)閉過程如圖2(b)所示。旋轉(zhuǎn)角度為β/2到β之間時(shí)，臺(tái)肩Ⅰ和Ⅲ上的溝槽與閥套上的窗口關(guān)閉，而對(duì)應(yīng)的臺(tái)肩Ⅱ和Ⅳ上溝槽與閥套上的窗口打開，隨著閥芯的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，閥口的開閉會(huì)呈現(xiàn)出周期性的變化，以實(shí)現(xiàn)液流高頻切換。

2 計(jì)算模型和控制方程

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

轉(zhuǎn)閥的仿真模型如圖3所示。

圖3 閥口仿真模型

轉(zhuǎn)閥的幾何模型如圖3(a)所示，由于轉(zhuǎn)閥閥芯溝槽在周向?qū)ΨQ，均勻分布，只需選取一對(duì)閥套窗口和閥芯溝槽進(jìn)行分析。

轉(zhuǎn)閥的網(wǎng)格模型如圖3(b)所示，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為41 250，網(wǎng)格單元數(shù)為36 888。

筆者采用Mixture模型對(duì)轉(zhuǎn)閥內(nèi)部進(jìn)行仿真。假定液相不可壓縮，液體為液壓油，其密度為850 kg/m3，粘度為0.035 N·s·m-2；氣相為油液蒸汽，其密度為1.2 kg/m3，粘度為1.2×10-5N·s·m-2；飽和蒸汽壓為400 Pa。

筆者采用壓力入口邊界條件，大小為5 MPa，出口設(shè)置壓力出口，大小為0.5 MPa，設(shè)置閥芯轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。采用基于壓力的求解器；數(shù)值計(jì)算方法采用SIMPLEC算法；壓力、力矩、體積百分?jǐn)?shù)以及湍動(dòng)能均采用一階迎風(fēng)格式。

為了減小網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，筆者針對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)。當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)目分別為13 718、17 808、36 888、47 928、118 638時(shí)，最大氣體體積分?jǐn)?shù)分別為0.863 4、0.907 04、0.922 4、0.936 2、0.924 6。可知，當(dāng)網(wǎng)格到達(dá)一定數(shù)目時(shí)，計(jì)算結(jié)果誤差波動(dòng)較小。同時(shí)，為了保證計(jì)算效率，筆者最終選取網(wǎng)格數(shù)目為36 888。

2.2 控制方程和模型

(1)混合模型的連續(xù)性方程：

(1)

(2)混合模型的動(dòng)量方程：

(2)

式中：μm—混合粘性。

(3)氣泡體積運(yùn)輸方程：

(3)

式中：αv—?dú)庀囿w積分?jǐn)?shù)；ρv—?dú)庀嗝芏?；Re—空泡生成率；Rc—空泡凝結(jié)率。

(4)空化模型。

由于氣穴空泡在低溫下形成液體，在此過程中認(rèn)為是等溫的，即可以忽略蒸發(fā)散熱。

Rayleigh-Plesset方程與壓力和氣泡容積相關(guān)，可表達(dá)為：

(4)

式中：R—?dú)馀莅霃剑籔B—?dú)馀輧?nèi)的壓力；σ—表面張力系數(shù)；μl—液相介質(zhì)粘性.

為簡便計(jì)算，氣泡成長和破裂的過程可表達(dá)如下：

(1)當(dāng)pv>p時(shí)：

(5)

(2)當(dāng)pv≤p時(shí)：

(6)

湍流模型選用RNGκ-ε模型。該模型在湍流耗散率中增加了一個(gè)R項(xiàng)，考慮了湍流的各向異性，因而在空化數(shù)值計(jì)算中有著較好的表現(xiàn)[12-14]。

空化模型選用的是Schnerr-Sauer模型，該模型沒有引入任何的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，因而被廣泛地應(yīng)用于各種空化流的數(shù)值預(yù)測中[15-16]。

3 仿真分析

3.1 速度場分析

筆者通過采用滑移網(wǎng)格模型來模擬閥芯的運(yùn)動(dòng)，從而得到閥芯運(yùn)動(dòng)過程中不同開度下閥口的空化流動(dòng)特性。

在不同開度下，轉(zhuǎn)閥的速度分布云圖如圖4所示。

圖4 不同開度下的流速分布云圖

圖4中，θ為閥芯旋轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)θ為0°～9°時(shí)，為閥口打開的過程；當(dāng)θ為9°～18°時(shí)，為閥口關(guān)閉的過程。

從圖4中可以看出：由于過流面積的劇變，閥芯溝槽靠近節(jié)流口處存在高速射流區(qū)域，流速較大的區(qū)域主要分布在節(jié)流口附近，流速較小的區(qū)域主要分布在閥套窗口。

閥口打開時(shí)，隨著開口度的增大，流速較大的區(qū)域逐漸增大；閥口關(guān)閉時(shí)，隨開口度的減小，流速較大的區(qū)域逐漸減小。觀察流線可以看出，閥芯溝槽極易產(chǎn)生漩渦，并且開度的變化會(huì)影響漩渦的大小。閥口打開時(shí)，閥芯溝槽只有一個(gè)漩渦，在閥芯溝槽的右側(cè)，后隨著開度的增大而減小，而閥芯溝槽左側(cè)的漩渦隨開度的增大而增大；

閥口關(guān)閉過程中，閥芯溝槽左右兩側(cè)仍然有兩個(gè)漩渦，并隨開度的減小而增大。同時(shí)，隨著閥口開度的減小，閥套窗口的右下角也形成一個(gè)漩渦，并隨著開度的減小而不斷增大。

3.2 壓力場分析

閥口在不同開度下的壓力分布如圖5所示。

圖5 不同開度下的壓力云圖

從圖5可以看出：壓力較大的區(qū)域主要集中在閥套窗口，壓力較小的區(qū)域主要集中在閥芯溝槽，壓降主要集中在節(jié)流口處。

當(dāng)閥口打開時(shí)，隨著閥口開度的增大，壓降區(qū)由節(jié)流口逐漸向閥套窗口遷移，壓力較大的區(qū)域面積也逐漸減小，靠近節(jié)流口處的低壓區(qū)的面積也逐漸減??；當(dāng)閥口關(guān)閉時(shí)，隨著閥口開度的減小，壓降區(qū)逐漸向節(jié)流口處遷移，壓力較大區(qū)域的面積也不斷擴(kuò)大。同時(shí)，閥芯溝槽的低壓區(qū)面積不斷擴(kuò)大，并隨著閥口開度的減小向節(jié)流口處移動(dòng)。

3.3 空化區(qū)域分布

閥口在不同開度下的氣相分布云圖如圖6所示。

圖6 不同開度下的氣相分布云圖

從圖6可以看出：閥口剛打開時(shí)，閥芯溝槽發(fā)生了空化現(xiàn)象，其主要分布于閥套窗口和閥芯溝槽相連的節(jié)流口附近；閥口打開時(shí)，當(dāng)閥口開度為1°時(shí)，空化區(qū)域較大，隨著閥口開度的繼續(xù)增大，空化區(qū)域逐漸減小直至空化消失；閥口關(guān)閉過程中，隨著閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，閥口開度逐漸減小，空化繼續(xù)出現(xiàn)，但空化區(qū)域分布位置有所改變，主要集中在閥芯溝槽逆出口方向的壁面上。并且隨著開度的減小，空化區(qū)域不斷增大。

3.4 不同工況下的空化區(qū)域分布

為了研究不同工況下空化現(xiàn)象的變化規(guī)律，分別在不同入口壓力(3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa)，不同背壓(0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa)，不同閥芯轉(zhuǎn)速(750 r/min、1 500 r/min、3 000 r/min、4 500 r/min)的情況下，筆者對(duì)閥口進(jìn)行仿真分析。

由于氣體體積分?jǐn)?shù)比可作為空化程度以及空化區(qū)域的衡量標(biāo)準(zhǔn)，可通過對(duì)不同工況下最大氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究，來進(jìn)一步揭示不同參數(shù)下，最大氣體體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。

3.4.1 入口壓力對(duì)空化區(qū)域的影響

以背壓為0.5 MPa，閥芯轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，開口度為1°時(shí)的閥口為研究對(duì)象，其最大氣體體積分?jǐn)?shù)隨入口壓力的變化曲線如圖7所示。

圖7 不同入口壓力下的最大氣體體積分?jǐn)?shù)

從圖7可以看出：入口壓力對(duì)最大氣體體積分?jǐn)?shù)有影響，同一開度下，隨著入口壓力的增大，最大氣體體積分?jǐn)?shù)越大；并且，最大氣體體積分?jǐn)?shù)隨著閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，都呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì)。

3.4.2 背壓對(duì)空化區(qū)域的影響

以入口壓力為5 MPa，閥芯轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，開度為1°時(shí)的閥口為研究對(duì)象，其最大氣體體積分?jǐn)?shù)與背壓的變化曲線如圖8所示。

圖8 不同背壓下的最大氣體體積分?jǐn)?shù)

從圖8可以看出：隨著背壓的增大，空化區(qū)域明顯減小，空化強(qiáng)度明顯減小，這是因?yàn)殡S著背壓的增大，閥口的壓差減小，閥口的流速減小，導(dǎo)致閥口壓降減??；背壓對(duì)最大氣體體積分?jǐn)?shù)也有影響，同一開度下，背壓越大，最大氣體體積分?jǐn)?shù)就越小。

3.4.3 閥芯轉(zhuǎn)速對(duì)空化區(qū)域的影響

以入口壓力為5 MPa，背壓為0.5 MPa，開度為1°時(shí)的閥口為研究對(duì)象，其最大氣體體積分?jǐn)?shù)與閥芯轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖9所示。

圖9 不同閥芯轉(zhuǎn)速下的最大氣體體積分?jǐn)?shù)

從圖9可以看出：閥芯轉(zhuǎn)速對(duì)空化的分布有影響，隨著閥芯轉(zhuǎn)速的增大，空化區(qū)域越大，空化強(qiáng)度明顯增大；閥芯轉(zhuǎn)速對(duì)最大氣體體積分?jǐn)?shù)也有影響，同一開度下，閥芯轉(zhuǎn)速越高，最大氣體體積分?jǐn)?shù)越大。

4 結(jié)束語

借助Fluent軟件，筆者將Mixture氣穴模型和RNG模型相結(jié)合，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬了轉(zhuǎn)閥的非定?？栈鲃?dòng)，分析了空化隨閥口開度變化的分布規(guī)律，并研究了入口壓力、背壓以及閥芯轉(zhuǎn)速對(duì)空化區(qū)域分布及最大氣體體積分?jǐn)?shù)的影響。

研究結(jié)論如下：

(1)流體通過轉(zhuǎn)閥閥口時(shí)，閥芯溝槽極易產(chǎn)生漩渦。閥口打開過程中，溝槽左側(cè)的漩渦逐漸增大，溝槽右側(cè)的漩渦逐漸減小；閥口關(guān)閉時(shí)，溝槽兩側(cè)的漩渦逐漸增大；

(2)閥口開度的變化會(huì)影響空化區(qū)域的大小，閥口打開時(shí)，空化區(qū)域的大小隨開度的增大而減小，閥口關(guān)閉時(shí)，空化區(qū)域逐漸向溝槽逆出口方向的壁面遷移，并隨開度的減小，空化區(qū)域的大小逐漸增大；

(3)空化區(qū)域隨入口壓力、閥芯轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨背壓的增大而減??；最大氣體體積分?jǐn)?shù)隨入口壓力、閥芯轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨背壓的增大而減小。

該研究結(jié)果對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。