閥配流水壓柱塞泵的回沖射流及其容積損失

冀 宏， 趙宏科， 劉耀卓， 劉銀水

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州 730050；2.華中科技大學 機械科學與工程學院， 湖北 武漢 430074)

引言

閥配流柱塞泵由于密封性好，適用于水介質高壓及超高壓泵[1-2]。配流閥的動態(tài)性能對泵的可靠性、容積效率有著至關重要的影響。然而，目前對于配流閥的動態(tài)特性及其對泵容積效率的影響，還缺乏定量化刻畫，使得柱塞泵閥配流的高可靠性設計、容積效率準確預測等缺乏理論依據。

近年來，眾多學者針對配流閥的流動特性和配流機理進行了一些理論分析、實驗和仿真研究，取得了一定成果。何貴元[3]以平板閥為研究對象， 通過實驗對吸水閥滯后特性進行分析，結果表明，適度加大吸水閥的彈簧剛度可減小閥芯關閉滯后。韋春輝等[4]對引起超高壓海水泵配流閥運動滯后的因素進行研究，得出泵余隙容積越大，配流閥開啟滯后現(xiàn)象越明顯。張杰[5]在AMESim中建立了配流閥模型，得出隨著閥芯半錐角的增加配流閥滯后現(xiàn)象減弱，負載壓力增加時排水閥滯后時間趨于定值。張占東等[6-7]搭建了往復式乳化液泵試驗臺，研究得出，排液閥在不同轉速下的行程是變化的，排液閥在開啟過程中存在明顯抖動且吸排液閥均有滯后現(xiàn)象；基于流體力學基本理論，建立配流閥動力學模型，利用實驗和AMESim仿真相結合的方法，分析了流量脈動率的大小，得出在吸排液行程轉換階段，排水閥存在流量回沖倒灌現(xiàn)象。張小龍等[8]建立ADAMS-AMESim固液耦合仿真模型，研究了配流閥彈簧剛度等參數對水壓柱塞泵容積效率的影響，得出增加配流閥彈簧剛度和預緊力能有效提升泵的容積效率。于蘭英等[9]建立水壓變量泵仿真模型，對水壓泵配流特性進行分析，研究表明，提高彈簧剛度或預緊力有利于提高配流特性。嚴璐[10]對乳化液泵高速配流閥動態(tài)特性進行仿真分析，得出轉速越高，對配流閥結構及壽命要求越高，錐閥更適合高速配流系統(tǒng)。葉文杰等[11]對高壓壓裂泵配流閥流場特性進行分析，得出閥盤錐角和升程分別為60°和15 mm時有利于減弱射流對閥盤沖蝕，提高配流閥使用壽命。陳雪聰[12]建立了高壓油泵配流閥動網格流場仿真模型，研究了不同結構參數對配流閥特性的影響，結果表明，適當增加彈簧預緊力可降低閥芯滯后高度，減小回沖射流。上述針對配流閥的研究主要是在AMESim中采用集中參數法對其性能進行分析，與配流閥的實際工況有所差別，且著重于對影響閥芯滯后的因素進行探討，對排水閥回沖射流現(xiàn)象造成的容積效率損失問題很少有量化的結果。

本研究采用高速攝像系統(tǒng)觀測閥配流柱塞泵的回沖射流現(xiàn)象及形態(tài)特征，并以配流閥閥芯位移及壓力實測數據為邊界條件，對水壓柱塞泵排水配流閥進行動網格流場仿真，獲得排水閥回沖射流造成的容積損失數值，為深入理解配流閥回沖射流特性及泵容積效率準確預測提供基礎依據。

1 實驗設計與搭建

1.1 實驗裝置與實驗步驟

實驗系統(tǒng)原理如圖1所示，通過變頻器調節(jié)電機轉速，電機帶動單柱塞水壓泵進行往復運動，因此，泵腔內出現(xiàn)正負交替變換的壓力，負壓時吸水閥打開，完成吸水工況，隨著壓力增大，吸水閥關閉，排水閥打開，完成向外排水。在單柱塞水壓泵的前端裝有壓力傳感器實時采集泵腔內的壓力，高速相機對排水閥回沖射流圖像進行實時記錄，數據采集系統(tǒng)能夠同步觸發(fā)高速相機使得泵腔內壓力和閥芯運動圖像實現(xiàn)實時同步。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

排水配流閥具體結構及關鍵尺寸如圖2所示。整個泵體和透明閥體均采用單層有機玻璃加工而成，并用紫外線固化膠粘結，保證高速相機可以清楚地捕捉到閥芯的運動和閥內流動狀態(tài)，吸排水閥閥芯采用碳化硅陶瓷材料加工而成。

圖2 排水球閥結構及關鍵尺寸Fig.2 Drainage ball valve structure and key dimensions

1.2 實驗條件

本研究對象是單柱塞水壓泵排水配流球閥，通過實驗觀測排水閥在排水過程中的回沖射流現(xiàn)象，并記錄閥芯運動圖像、泵腔壓力和排水量，排水閥出口與透明軟管相連，并將軟管出口固定在距排水閥出口1 m高度處，保證出口壓力為定值，具體實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數Tab.1 Experimental parameters

1.3 回沖射流實驗現(xiàn)象分析

將柱塞運動到上死點的時刻記為0時刻，如圖3a所示。柱塞從上死點(0 ms)到下死點(19 ms)的過程屬于向外排水階段，19 ms以后，柱塞從下死點向上死點過渡轉換，泵腔內壓力開始降低，當柱塞腔壓力小于出口壓力時，排水閥由于閥芯滯后未能及時關閉，導致已經排出的液體瞬時回沖倒灌，伴隨著強烈的射流和空化現(xiàn)象，如圖3b所示。

圖3 單柱塞水壓泵實驗過程及回沖射流現(xiàn)象Fig.3 Single piston pump experiment process and backflushing jet phenomenon

圖4為實驗過程中排水閥回沖射流變化過程。由圖4a可以看出，在20 ms時，閥座錐角左側處有較明顯的回沖射流產生，并伴隨著少量氣泡，此時，閥芯向右側偏移；隨著柱塞繼續(xù)向上死點運動，在22 ms時回沖射流現(xiàn)象加劇，在閥座錐角右側處產生大量氣泡，此時，閥芯向左偏移，如圖4b所示；在23 ms時， 如圖4c所示，閥芯垂直居中， 射流沿閥座錐面射向入口段，形成大量氣泡；在25 ms左右，閥芯關閉，回沖射流現(xiàn)象消失，如圖4d所示，該過程中閥芯存在多次側擺及上下振蕩現(xiàn)象，由以上過程可知，回沖射流是導致泵容積效率降低的主要原因之一。

圖4 排水閥回沖射流發(fā)展過程Fig.4 Drainage valve backflushing jet development process

利用高速攝像系統(tǒng)同步跟蹤技術，建立直角坐標系，并在閥芯上設置跟蹤點，如圖5所示，通過跟蹤閥芯上點的坐標得到排水閥閥芯垂直位移隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖5 高速攝像系統(tǒng)同步跟蹤方法Fig.5 Synchronous tracking method for high speed camera system

從圖6中得出，閥芯位移s相對于泵腔壓力p存在明顯的開啟與關閉滯后，且閥芯在多次振蕩后才完全關閉，當泵腔壓力低于出口壓力時，排水閥未及時關閉，導致回沖射流產生。

圖6 閥芯位移與泵腔壓力變化曲線Fig.6 Curves of spool displacement and pump chamber pressure

2 數值計算模型

為了進一步探究排水閥回沖射流特征及其對柱塞泵容積效率損失的影響，采用Fluent軟件對流體域進行CFD仿真計算。Fluent的SIMPLE，SIMPLEC，PISO等分離算法可以用來求解離散化的控制方程，其中PISO算法對瞬態(tài)計算具有更好的收斂效果，因此，本研究選用PISO算法對控制方程進行求解。

2.1 湍流模型

在Fluent中有k-ε，k-ω，Reyonlds等湍流模型， RNGk-ε模型考慮了湍流渦效應及低雷諾數情況下的流動問題，使得該模型具有更廣的適用范圍，提高了數值計算的精度及求解過程的穩(wěn)定性。因此，本研究選用RNGk-ε湍流模型，其控制方程如式(1)、式(2)：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中,Gk,Gb—— 由速度梯度、浮力產生的湍動能

YM—— 在可壓縮流動中的波動膨脹對湍流總耗散率的影響

C1ε,C2ε,C3ε—— 常數項

σk,σε—— 湍動能方程中湍流普朗特數

Sk,Sε—— 源項，由用戶自定義

2.2 多相流模型

考慮到氣液兩相之間的相變關系、空泡發(fā)展的瞬時性及氣液兩相間沒有明確的拖拽力關系，本研究選用Mixture多相流模型，主項為水，次相為水蒸氣?；旌舷嗟倪B續(xù)性方程如式(3)所示：

(3)

(4)

(5)

ρm—— 混合物密度

αk—— 第k相體積分數

混合模型通過對所有相的動量方程進行求和得到混合物的動量方程，如式(6)所示：

(6)

(7)

(8)

式中,n—— 相數

μm—— 混合物黏度

2.3 空化模型

當流體靜壓低于水的飽和蒸氣壓時便會發(fā)生空化，空化發(fā)生時液 - 氣傳質的運輸控制方程如式(9)所示：

(9)

Re,Rc—— 傳質源項

ρv—— 氣體密度

αv—— 氣體體積分數

假設所有氣泡都有相同的大小，推廣得到的空化模型如式(10)、式(11)：

(10)

(11)

式中,RB—— 氣泡半徑

αnuc—— 氣核體積分數

Fvap—— 蒸發(fā)系數

Fcond—— 冷凝系數

pv—— 相變閾值

ρl—— 液體密度

pv=psat+0.5(0.39ρlk)

(12)

式中,psat—— 飽和蒸氣壓

2.4 數值計算條件

在Fluent19.2中，采用二維軸對稱模型及動網格層鋪法對排水閥流體域進行仿真計算，為實現(xiàn)層鋪法，對流體區(qū)域進行分塊化網格劃分，保證①～④，，為四邊形網格，流體域網格劃分模型如圖7所示。

圖7 排水閥網格劃分方法Fig.7 Drainage valve mesh division method

仿真相關參數如表2所示，仿真過程中，入口為壓力邊界條件，其值為泵腔實測壓力，閥芯位移為高速相機跟蹤位移，兩者均通過profile文件給定。

表2 仿真參數Tab.2 Simulation parameters

3 仿真結果分析

3.1 回沖射流現(xiàn)象仿真分析

圖8為柱塞從下死點向上死點過渡轉換過程中的回沖射流空化云圖。由圖8a看出，在20.35 ms時，閥口出現(xiàn)較為明顯的回沖射流現(xiàn)象，隨著柱塞繼續(xù)向上死點運動，回沖射流現(xiàn)象加劇，并伴隨大量氣泡；如圖8c所示，在22.39 ms時，大量氣泡從閥口脫落，隨射流向排水閥入口段流動；在24.39 ms時，閥口基本關閉，回沖射流現(xiàn)象逐漸消失，如圖8d所示，上述現(xiàn)象與實驗觀察到的圖像十分吻合。

圖8 排水閥回沖射流過程氣相分布云圖Fig.8 Gas phase distribution cloud diagram of backflushing jet process of drainage valve

圖9為閥口回沖射流空化云圖與流線圖，從圖中可以看出，回沖射流過程中空化總是初生于剪切作用顯著且射流脫離壁面的位置。

圖9 閥口回沖射流空化及流線圖Fig.9 Valve orifice backflushing jet cavitation and streamline

圖10為入口壓力與氣相體積分數隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，氣相體積分數隨入口壓力的變化呈現(xiàn)波動狀態(tài)， 氣相體積分數峰值和壓力峰值出現(xiàn)的時刻基本相同，氣相體積分數峰值略滯后于壓力峰值，由此可得出隨著閥口壓差的增加，閥口射流空化加劇。

圖10 壓力與氣體體積分數曲線Fig.10 Pressure and gas volume fraction curve

3.2 回沖射流效率損失分析

圖11為排水閥出口流量隨時間的變化曲線，為了對仿真結果進行進一步驗證，采用MATLAB對出口流量曲線進行數值積分，將積分結果進行時均化處理，得到時均化質量流量并與實驗值進行比較，計算方法如式(13)所示：

(13)

式中,Q(t)—— 流量隨時間的變化關系

Δt—— 積分區(qū)間

(14)

圖11 排水閥出口流量特性曲線Fig.11 Discharge valve outlet flow curve

(15)

(16)

由計算結果可知，仿真結果與實驗結果的相對誤差δ僅為0.91%，說明通過瞬時流量積分的方法計算流量的正確性，下面將通過該方法計算回沖射流流量對容積損失的影響。

圖12為排水閥排水期間閥口流量特性曲線，采用瞬時流量積分的方法分析回沖流體體積占比，得出回沖射流現(xiàn)象對單柱塞水壓泵容積效率的影響。閥口流量曲線在直線y=0以下部分表示向外排水，在直線y=0 以上部分表示閥口關閉滯后導致的回沖射流。對以上兩部分分別進行數值積分即可求得回沖射流對容積效率損失的影響占比。向外排出液體的質量用Qp表示，回沖液體的質量用Qh表示，具體值如下：

t1=0.00402 s,t2=0.01980 s,t3=0.02501 s，

(17)

(18)

(19)

圖12 排水閥閥口(節(jié)流口)流量曲線Fig.12 Discharge valve orifice flow curve

從上面的計算得出，排水閥關閉滯后所導致的回沖射流對容積效率的損失影響較大，在0.01 MPa的負載壓力下，回沖射流導致的容積損失在5.3%左右。

對圖12進行分析得出，排水閥關閉滯后時間約為6 ms，占整個排水時長的30%。假設排水閥在1個周期內向外排出的水的體積為單柱塞泵的理論排量，則根據式(20)可知，排水閥在1個周期內回沖水的體積占比僅與閥口開度、閥口壓差和回沖時間有關。由文獻[5]可知，排水閥滯后時間隨出口負載壓力的增加基本為定值，因此，回沖水的體積占比僅與回沖過程中的閥口開度和閥口壓差有關：

(20)

式中,Cd—— 流量系數，為常數

A—— 閥口通流面積

Δp—— 閥口壓差

ρ—— 密度

為了分析不同出口壓力下回沖射流效率損失占比，建立了單柱塞水壓泵AMESim模型如圖13所示，相關參數與實驗模型一致，仿真結果如圖14、圖15所示。

圖13 水壓泵AMESim仿真模型Fig.13 AMESim simulation model of piston pump

從圖14可以看出，不同出口壓力時，排水閥閥芯關閉位移曲線基本重合，表明出口壓力對排水閥閥芯關閉過程影響較小，閥芯關閉過程中，閥口通流面積大小和變化規(guī)律基本相同。

圖14 不同出口壓力時排水閥閥芯關閉位移Fig.14 Displacement of drain valve spool closing at different outlet pressures

圖15為閥芯關閉過程中排水閥閥口壓差變化曲線，可以看出，出口壓力對閥芯關閉過程中閥口壓差影響不明顯，壓差變化規(guī)律基本相同。

圖15 不同出口壓力時排水閥閥口壓差Fig.15 Drain valve orifice differential pressure at different outlet pressures

通過以上分析可以得出，出口壓力對排水閥滯后關閉造成的回沖流量體積影響不大，因此，較高出口壓力下，排水閥回沖射流造成的容積效率損失仍為5.3%左右。

4 結論

本研究采用了高速攝像可視化實驗和動網格流場仿真相結合的研究方法，實驗中保持柱塞泵配流閥閥芯位移與排水閥入口壓力數據同步采集，揭示出了柱塞泵排水閥回沖射流特征及其對泵容積效率損失的影響程度。結果表明，該閥配流柱塞泵在1500 r/min轉速下，回沖射流時長約為6 ms，占整個排水時長的30%；回沖射流過程中，閥芯存在多次振蕩且伴隨射流空化；不同出口壓力時，回沖射流造成泵的容積效率損失基本相同，約為5.3%。