基于節(jié)流-分流耦合的高壓高速節(jié)流口空化抑制方法

于 瑞， 韋文術(shù)， 胡經(jīng)文， 盧海承， 馬思宇， 郭宗凱， 周 華， 楊華勇

(1.浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室， 浙江杭州 310027；2.北京天瑪智控科技股份有限公司， 北京 100013)

引言

近年來，以卸荷閥、溢流閥和節(jié)流閥為代表的基于節(jié)流原理的液壓控制元件被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋勘探及礦產(chǎn)開采等領(lǐng)域[1-5]。隨著實際工況對能量密度要求越來越高，液壓產(chǎn)業(yè)逐步向高壓大流量的方向拓展。然而，在高壓高速流體運動過程中，閥口的快速啟閉會造成很大的能量損失，從而誘發(fā)空化，影響節(jié)流口的可靠性，嚴(yán)重降低其壽命[6-9]。作為液壓介質(zhì)，無論是天然水還是經(jīng)處理后的高水基乳化液，其飽和蒸氣壓均遠高于油壓。因此相較于油壓元件，水壓元件受空化破壞更加嚴(yán)重。基于此，針對水壓環(huán)境開展高壓高速節(jié)流口的空化抑制性能研究對提升閥口的壽命和可靠性至關(guān)重要。

針對節(jié)流口的空化問題，大量的學(xué)者通過試驗或數(shù)值模擬的方式展開研究。謝偉等[10]通過研究分級壓降、壓力補償和異形結(jié)構(gòu)的閥口形式，得出流場特性對空化現(xiàn)象的影響規(guī)律，并總結(jié)出抑制空化的閥口新結(jié)構(gòu)；HAN Mingxin等[11]針對水壓閥的液動力及空化現(xiàn)象進行數(shù)值研究，研究表明，二級節(jié)流閥可以有效降低空化現(xiàn)象的發(fā)生；牛夢奇等[12]以某型卸荷閥主閥為研究對象，分析了不同閥口倒角對卸荷閥內(nèi)部流場的影響；王銀等[13]采用2個不同錐角的錐面對閥芯進行結(jié)構(gòu)改進，以抑制空化的發(fā)生。KUMAGAI K等[14]基于高速攝像機對內(nèi)流式錐閥結(jié)構(gòu)進行空蝕試驗研究，提出了一種基于上游壓力激發(fā)的錐閥空化振動發(fā)生機理的假設(shè)。

以往的方法雖然都取得了一定的成效，但是這些方法都是針對低壓或者低速的流體工況。在高壓高速流體工況下，節(jié)流口的空化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，這些方法改善流體壓力、速度分布的能力有限。為實現(xiàn)在高壓高速工況下節(jié)流口的空化抑制性能優(yōu)化，本研究提出了一種基于節(jié)流-分流耦合的空化抑制方法，采用多級節(jié)流的方式，實現(xiàn)閥口壓降的多級承擔(dān)，有效減小閥口壓力梯度并降低流速，通過在閥出口采取多排孔分流的方式，改善流線布局，減少流體沖擊。

1 基于節(jié)流-分流耦合的新結(jié)構(gòu)

在高壓高速和小開度的情況下，由于節(jié)流現(xiàn)象，介質(zhì)流速急劇增大，壓力急劇降低，極易在閥口位置形成空化流。高速流體裹挾空化流間歇性沖擊閥套的內(nèi)壁面，在元件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的空化損傷。提高結(jié)構(gòu)空化抑制性能的關(guān)鍵就是降低介質(zhì)的流速，同時改善流線分布，使空化流避免撞擊壁面?；诖耍岢隽嘶诠?jié)流-分流耦合的新結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)的特點及原理在于：

圖1 基于節(jié)流-分流耦合的節(jié)流口新結(jié)構(gòu)Fig.1 New structure of orifice based on throttle-split coupling

(1) 多級節(jié)流 在閥口位置設(shè)置多個節(jié)流口，通過節(jié)流效應(yīng)實現(xiàn)流體能量的多級消耗，實現(xiàn)分步逐級降壓，從而減小各節(jié)流口兩端的壓差，抑制空化和高速流體沖刷，減少振動和噪聲；

(2) 多排孔分流 多級節(jié)流的方式在一定程度上可以減輕空化的破壞強度，但是在高壓高速工況下，流速依然較高，由于流道結(jié)構(gòu)不合理，空化流依然會撞擊壁面，造成空化破壞。因此在傳統(tǒng)多級節(jié)流的基礎(chǔ)上改進出口結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的單排式出口改進為兩組沿徑向均布的出口組合。兩組孔采用錯位布置的方式，以進一步壓縮節(jié)流口的體積，一方面，流量不變的情況下整體出口面積的增大會顯著降低閥口處介質(zhì)的流動速度，減少了因介質(zhì)高速高能運動所導(dǎo)致的氣泡；另一方面，通過在遠離閥口的位置增加新的出口組，可以改善原有出口處介質(zhì)的流向，使部分空化流可以從添加的出口流出，而不會沖擊原有出口的壁面。

總之，這種基于節(jié)流-分流耦合的新結(jié)構(gòu)可改善流經(jīng)分流孔的介質(zhì)流速，實現(xiàn)介質(zhì)分支流向的精細化調(diào)整，最終避免流動介質(zhì)沖擊節(jié)流口，實現(xiàn)空化抑制性能的提高。

2 動態(tài)性能分析

本研究討論的是正向設(shè)計階段不能通過實驗獲取閥口動態(tài)特性且閥口邊界壓力波動范圍較大的情況。為分析高壓高速節(jié)流口的動態(tài)性能，獲得CFD仿真的實際邊界條件，針對高壓大流量電磁卸荷閥這一典型代表開展建模與研究。電磁卸荷閥由電磁先導(dǎo)閥、主閥和單向閥組成，如圖2所示，其中卸荷閥出油口(T口)接油箱，進油口(P口)接乳化液泵出口，增壓閥出口(A口)則與工作面相通。當(dāng)壓力高于預(yù)設(shè)值時，電磁鐵動作，主閥將打開，介質(zhì)流向油箱，系統(tǒng)壓力降低；當(dāng)壓力低于預(yù)設(shè)值時，主閥關(guān)閉，系統(tǒng)壓力在泵的作用下上升。

圖2 電磁卸荷閥液壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of electro-hydraulic unloading valve

為研究節(jié)流口的動態(tài)性能，得到CFD仿真的實際邊界條件，建立電磁卸荷閥的系統(tǒng)模型，如圖3所示。在此模型中，液壓源設(shè)定為恒流源 (1200 L·min-1)，負(fù)載則通過1個節(jié)流孔來模擬，其主要參數(shù)如表1所示，設(shè)定閥的額定壓力為50 MPa，預(yù)設(shè)調(diào)壓區(qū)間為42～49 MPa，仿真時間30 s，步長設(shè)置為0.0001 s。

圖3 AMESim仿真模型Fig.3 AMESim simulation model

表1 主要仿真參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation

卸荷閥入口和出口壓力如圖4所示，卸荷閥的出口壓力在41.7～49.3 MPa切換，接近42～49 MPa預(yù)設(shè)壓力區(qū)間。除此之外，系統(tǒng)的壓力損失為0.4 MPa，卸荷閥的最大通過流量為1353 L·min-1，閥芯的最大位移為8.4 mm。以上數(shù)據(jù)表明，卸荷閥滿足供液系統(tǒng)動態(tài)性能的要求。為得到CFD仿真的實際邊界條件，獲取開啟階段的壓力和閥芯位移間的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖4 卸荷閥入口與出口壓力Fig.4 Pressure at inlet and outlet of unloading valve

圖5 開啟階段入口壓力與閥芯位移Fig.5 Inlet pressure and spool displacement in opening stage

3 網(wǎng)格劃分與流體仿真

3.1 幾何模型和網(wǎng)格

根據(jù)圖1節(jié)流口的結(jié)構(gòu)，抽取內(nèi)部流場三維模型并導(dǎo)入ICEM，以獲得非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為提高計算精度，在形狀突變、流速快、壓力梯度大的區(qū)域進行網(wǎng)格細化，考慮到計算效率，其余位置盡量減少網(wǎng)格數(shù)量。在滿足計算精度的前提下，經(jīng)網(wǎng)格獨立性檢驗，得到網(wǎng)格獨立性檢驗表，如表2所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達到90萬以上，出口流量值變動范圍較小，并以該值認(rèn)定為本研究最小網(wǎng)格數(shù)量。所有網(wǎng)格的質(zhì)量均達到0.35以上，避免了網(wǎng)格質(zhì)量造成的非收斂問題，卸荷閥內(nèi)部流場及網(wǎng)格劃分如圖6所示。

表2 網(wǎng)格獨立性檢驗表Tab.2 Grid independence checklist

圖6 內(nèi)部流場及網(wǎng)格劃分Fig.6 Internal flow field and mesh

3.2 CFD模型設(shè)置

1) RNGk-ε湍流模型

RNGk-ε湍流模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的ε方程中增加了一項，提高了高速流動的準(zhǔn)確性，并考慮了渦流對湍流的影響，提高渦流的計算精度。RNGk-ε湍流模型的輸送方程如下：

Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中,C1ε=1.42，C2ε=1.68；αk和αε為湍動能和湍流耗散率的普朗特數(shù)倒數(shù)，均取1.393；μeff為湍流有效黏度；Gk表示平均速度梯度引起的湍動能；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍動能；YM表示可壓縮湍流中的波動膨脹對總耗散率的貢獻。

2) Mixture多相流模型

Mixture模型主要關(guān)注可相互貫穿的多相流，每一相均有獨立的控制方程，當(dāng)介質(zhì)中存在未知的界面時，Mixture模型可以很容易的收斂并獲得合理的結(jié)果，主要用于旋風(fēng)分離器、氣泡流動、空化或沖蝕問題，其連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程分別如式(3)～式(5)所示：

(3)

(4)

=▽·(keff▽T)

(5)

式中，ρm為混合物密度;vm為混合物質(zhì)量平均速度；μm為混合物黏度；F為外部質(zhì)量力;vdr,k為次相k的滑移速度;αk為k相的體積分?jǐn)?shù)；T為流體的溫度；Keff為有效熱導(dǎo)率。

3) Zwart空化模型

Fluent中提供的空化模型主要包括Singhal全空化模型、Schberr-Sauer空化模型以及Zwart空化模型。Singhal全空化模型極易發(fā)散，且在大流量工況下，Zwart模型模擬結(jié)果較Schberr-Sauer模型更精準(zhǔn)[15]。因此選用Zwart模型，該模型考慮了空化發(fā)生位置的密度和蒸汽體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，可得到相間空化率方程：

(6)

(7)

式中，氣泡直徑RB=10-6m；氣核體積分?jǐn)?shù)αruc=5×10-4；汽化系數(shù)Fvap=50；凝聚系數(shù)Fcond=0.01。

除此之外，根據(jù)卸荷閥的實際工況，本研究將邊界條件設(shè)置為壓力入口和壓力出口條件。根據(jù)圖5，當(dāng)卸荷閥開度為1 mm時，入口壓力設(shè)置為45.2 MPa，出口壓力設(shè)置為0.101325 MPa。選取水為流體介質(zhì)，CFD仿真的介質(zhì)物理特性設(shè)置如表3所示。

表3 介質(zhì)的物理特性Tab.3 Physical properties of media

3.3 結(jié)果與分析

為驗證所提出結(jié)構(gòu)的空化抑制性能，將基于節(jié)流-分流耦合的節(jié)流閥口新結(jié)構(gòu)分別與改進前結(jié)構(gòu)、 多級節(jié)流結(jié)構(gòu)和多排孔分流結(jié)構(gòu)在高壓高速工況下進行對比。

流場的壓力分布如圖7所示， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的節(jié)流閥口位置存在較大的壓力梯度，多級節(jié)流結(jié)構(gòu)和節(jié)流-分流結(jié)構(gòu)可以有效地降低閥口的壓力梯度。

圖7 壓力分布圖Fig.7 Pressure distribution

流場的速度分布如圖8所示，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，閥口的流速已顯著降低。對于僅具有多排孔分流的結(jié)構(gòu)，由于增加了出口的面積， 最大流速從275 m/s降低到220 m/s，下降20.0%，同時由于出口孔布局的改變，流體介質(zhì)的運動方向也有了調(diào)整，一定程度上減少了對壁面猛烈撞擊；對于僅具有多級節(jié)流的結(jié)構(gòu)，由于壓力梯度的降低，最大流速降至205 m/s，下降25.5%；本研究所提出的節(jié)流-分流結(jié)構(gòu)，結(jié)合了兩種方式的優(yōu)點， 流體的最大速度降低至193 m/s，下降29.8%。

圖8 速度分布圖Fig.8 Velocity distribution

氣相分布如圖9所示，對于改進前的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的氣泡主要集中在閥口和閥套出口的位置，在高速流的裹挾下撞擊壁面造成嚴(yán)重的空化損傷現(xiàn)象；對于僅具有多排孔分流的結(jié)構(gòu)，雖然介質(zhì)流向產(chǎn)生了一定的改變，但是由于流速較高，空化依然較為嚴(yán)重；對于僅具有多級節(jié)流的結(jié)構(gòu)，液體介質(zhì)高速撞擊閥套產(chǎn)生渦流，空化現(xiàn)象的改善也不明顯；而對于所提出的節(jié)流-分流結(jié)構(gòu)，由于整合了多級節(jié)流和多排孔分流的優(yōu)勢，可以優(yōu)化壓力分布，減少氣泡的生成，同時降低介質(zhì)流速，優(yōu)化介質(zhì)流向，以降低空化流對壁面的沖擊，最終實現(xiàn)空化現(xiàn)象的抑制。

圖9 氣相分布圖Fig.9 Vapor distribution

4 結(jié)論

針對高壓高速節(jié)流口存在的空化破壞嚴(yán)重的問題，本研究提出了一種基于節(jié)流-分流耦合的空化抑制方法，研究表明：

(1) 采用多級節(jié)流的方式，實現(xiàn)閥口壓降的多級承擔(dān)，有效減小閥口壓力梯度并降低流速，通過在閥出口采取多排孔分流的方式，改善流線布局，減少流體沖擊；

(2) 以電磁卸荷閥為例， 建立了節(jié)流口的等價物理模型，分析了其動態(tài)性能，獲得了CFD仿真的邊界條件；開展流體仿真，將所提出方法與傳統(tǒng)空化抑制方法對比，仿真結(jié)果顯示，所提出的方法具有優(yōu)化壓力梯度、降低介質(zhì)流速、改善介質(zhì)流向的效果，可更有效地削弱空化現(xiàn)象。