结构尺寸对二级节流阀空化流动特性的影响

刘秀梅，贺杰，龙正，李文华，李贝贝

(1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116;2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027; 3.中国矿业大学江苏省矿山机电装备重点实验室，江苏徐州221116)

结构尺寸对二级节流阀空化流动特性的影响

刘秀梅1，2，3，贺杰1，龙正1，李文华1，李贝贝1

(1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116;2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027; 3.中国矿业大学江苏省矿山机电装备重点实验室，江苏徐州221116)

节流阀口的形式以及结构尺寸直接影响节流阀的性能，因此阀口结构形式选择及其设计是很重要的。通过数值模拟的方法研究了二级节流口尺寸不同对阀内空化流场、流速以及空化区域的影响。研究结果表明:二级节流阀内上游腔的拐角处、二级节流口中间腔的近壁面区域、阀芯的顶部、节流口下游的近壁面区域存在四个回流区。随着阀口尺寸m、n的改变，阀内回流区位置几乎不变，但是回流区面积大小会发生改变。但是m=2，n=1时二级节流阀具有较好的抗空蚀特性。研究结论为工程人员设计高性能液压阀提供了理论依据。

节流阀;阀口;开度;阀口尺寸

空化现象一直是液压阀中经常发生的一个严重问题。当流体通过液压阀后，如果流体的静压降低到低于该液体的饱和蒸汽压时，容易出现空化现象。空化产生的空泡容易造成流体的微小喷射，并对阀门表面形成冲击，导致阀芯和阀座面损坏，带来噪声和振动问题，而且还会影响液压元件的性能和寿命［1－2］。因此，研究和分析液压阀内部空化流动，预测空化和空蚀的危险区域，探讨流场条件和几何参数对空化和空蚀的影响具有重要的现实意义［3］。

由于液压阀内部流动是复杂的三维湍流运动，对其进行研究面临很大困难。目前液压阀内部空化问题主要从两个角度来研究。①采用透明模型进行可视化实验研究，观察液压阀内空化流动特性;②应用计算流体动力学方法对各种流体机械内部流场进行数值模拟，预测空化发生区域。从以上两个方面，国内外学者开展了大量的研究。Oshima［4］利用半切模型对锥阀气穴流动进行了细致的研究，在半切锥阀的平面上，覆盖有机玻璃板用来观察气穴，研究得出了锥阀流向(外流、内流式)与气穴、流量和噪声特性的关系。Jazi［5］研究了球阀内部空化空蚀现象，指出当球阀的阀口开度低于12%时，可根据高频信号变化来判断空化发生和发展情况，当球阀阀口开度较大时，空泡溃灭辐射低频声信号则很难探测。Casoli［6］采用CFD(Computational fluid dynamics)研究了高压阀中两相流现象，运用Singhal空化模型描述相位变化和标准k－ε方程来修正湍流扰动，并实验研究了质量变化率与压力的关系。Chern［7］通过数值方法指出阀体内部漩涡中心会出现空化现象，当无阀盖时下游有空化现象，但是有阀盖时则没有。Valdés［8］采用CFD数值模拟了球形节流阀内空化流动，研究了不同开度下通过阀体的流体质量变化。Tabrizi［9］采用CFD数值模拟了球形阀内空化流动，分析了球形阀内压力变化以及阀腔下游漩涡的形成。研究结果表明:阀口开度是影响球形阀空化性能的一个重要因素。随着阀口开度减小，漩涡变大，阀腔内压降增大。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室［10］从流场数值模拟和实验可视化角度研究了锥阀与球阀阀口的气穴流动以及溢流阀中的气穴噪声。偶国富［11］针对高压差调节阀高速气－液－粒三相流传输引起的阀芯严重空蚀和冲蚀磨损问题，数值计算了阀内的空化场及其它重要流场信息，并提出了空蚀预测方法，为了减弱空化的发生，可以从改善阀体及阀芯结构上考虑。刘银水等［12－13］对二级节流阀的负载刚度特性及抗气蚀性能进行了详细的理论分析与试验研究，得出了二级节流阀的负载刚度等于组成它的两个节流口负载刚度之和，且抗气蚀性能较单极节流阀好的结论。二级节流阀是防止和减轻节流阀中气蚀的有效结构形式，它由2个节流口串连，共同承担阀内压降，使得每个节流口上的压降相对减小，达到减轻气蚀的目的。目前对于一级节流阀的研究较多，但对于以液压油为介质的二级节流阀内的空化流动特性的研究较少，所以本文通过数值模拟的方法研究了不同结构下二级节流阀内部流场及空化区域分布。

1 计算模型与控制方程

由于节流阀口的形式以及结构尺寸直接影响节流阀的性能，因此，其结构形式选择及其设计是很重要的。在油压节流阀中存在严重的节流气穴、气蚀问题，这严重影响了阀的性能，因此在选择阀形式及确定结构尺寸时，重点考虑怎样避免气穴的产生和减小气蚀的破坏，提高阀的性能。从对节流气穴和气蚀现象的分析可知:二级节流的抗气蚀性能要比一级节流的抗气蚀性能好。因此，节流阀宜采用二级节流的形式［14］。

1.1 计算模型

由于本文所讨论的空化发生区域主要集中节流阀口附近，且节流阀口附近的流动具有基本对称性。因此，为了降低计算维度建立了如图1(a)所示锥形节流阀的简化结构模型，在CFD仿真中采用旋转轴对称假设实现二级节流阀的空化现象仿真。图1(b)为二级节流阀内部流道的空化数值仿真模型，其中X是节流阀的开度，m，n为一级、二级节流口尺寸(分别取1 mm、1.5 mm、2 mm)，此外本文节流阀结构参数L、L1、D、d分别取值为100 mm、60 mm、16 mm、8 mm。假设液相介质为不可压缩流体，气相介质为可压缩流体，空化流动过程视为恒温绝热过程。边界条件如下:节流阀入口采用压力入口边界条件(pressure－inlet)，设定值为0.8 MPa，节流阀出口采用压力出口边界条件(pressure－outlet)，设定值为0.2 MPa，节流阀旋转对称轴采用轴边界条件(axis)，阀芯边界及阀座内边界采用壁面边界条件(wall)。针对图1所示的流道几何模型采用非结构化四边形网格对计算区域进行网格划分，并结合流动特点对流道阀口位置及阀口后部空化区域设置较密的网格。同时根据该网格划分方案计算不同密度的两种网格并对数值解进行了网格无关性验证，最终确定本文计算所采用的网格单元数61 129。为了完成二级节流阀的空化现象的数值仿真，本文采用Mixture模型对阀内液压油空化流动进行稳态计算，主要相流体为液压油，次要相流体为油蒸汽，阀腔内流动介质为液压油，密度为889 kg/m3，常温下运动黏度为120 mm2/s。采用SIMPLE方法求解压力耦合方程组，压力的离散采用Standard格式，密度、动量、能量等的离散采用First Order Upwind格式。

图1 二级节流阀简化结构及数值计算模型Fig.1 Throttle valve simplified structure and numericalmodels

1.2 控制方程组

在节流阀内空化流动的计算选用了Fluent软件中的Mixture模型，且空化流动采用Singhal等发展的全空化模型完成计算。其中在Mixture模型假定下，在较小的空间长度尺度范围内，液相和空泡相相间耦合强烈且满足局部平衡条件。因此，可以将空化流动中流体相和空泡相作为统一的流体进行研究，即采用如文献［10］和文献［15］中所述的连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程，同时本文所采用基于Boussinesq假设的雷诺应力关联式来计算阀内湍流［16］:

式中:ρ为油相与泡内气体相混合流体的密度，ρv、ρl分别为空泡相(液压油蒸汽)、流体相(液压油)的密度，v→为混合流体的速度矢量，αv、αl分别为空泡相、流体相的体积分数，且αv+αl=1，Re为油蒸汽产生率，Rc为油蒸汽凝结率，P为流体静压力，Ev、El分别为空泡相、流体相能T为流体的温度，keff为有效导热系数。

为了描述空化的发生与溃灭过程，空化流动过程中油蒸汽产生率Re和凝结率Rc由描述空泡动力学特性的Rayleigh－Plesset方程(式5)描述:

式中，RB为空化泡半径，PB为泡内压强，μ为液压介质黏性，σ为液压介质表面张力。在忽略二阶项及表面张力的影响下可以由式(5)得出:

另一方面，考虑Mixture模型混合相的密度表达式为:

其中，蒸汽的体积分数可以从空化数n和空泡的半径计算得出:

组合式(7)和式(8)并求微分可得:

结合流体相及空泡相连续性方程、式(6)、式(9)，并考虑缺少估算空化数密度的通用模型，因此可以得出相变率R为:

在实际的空化模型中，在不考虑溶解气体、质量传递及黏性阻尼的情况下，泡内压强PB通常等于饱和蒸汽压Pv。因此，式(2)中液相与汽相的质量变化率可以从式(10)给出:

式中:Fvap、Fcond为常量，分别等于0.02、0.01，饱和蒸汽压Pv由湍流压力波动估计值校正:

式中:Psat为当地液相的饱和蒸汽压。

2 计算结果及分析

2.1 空化流场、流速分析

为了直观地分析二级节流阀中节流口尺寸变化对阀内空化流场的影响，我们选择9种不同的节流阀结构尺寸(即m，n值)，图2分别为阀体内部流线分布图(上半部)和流速分布图(下半部)，其中括号内的数字表示不同的m－n值。从图2可知，阀口流线转折处产生流体分离现象，并出现回流区。回流区主要分布在:上游腔的拐角处1、二级节流口中间腔的近壁面区域2、阀芯顶部3、节流口下游近壁面区域4。回流区1、回流区2的旋涡尺度小，强度大，而回流区3、回流区4旋涡尺度大，强度弱。回流区流速及旋涡强度都较强，消耗主流能量较大，导致压降与能量的降低。旋涡中心压力也较低，这些低压区的存在是导致流体气穴产生的主要原因。此外，二级节流阀中结构尺寸m、n不同时，阀内回流区位置几乎不变，但是回流区面积大小会发生改变。当m值一定时，随着n值的增大，回流区3的面积逐步减小、回流区4面积逐步增加。由于阀芯易更换，所以我们重点关注阀体处回流区面积和强度较小的结构，即n=1的结构。在n=1时，随着m值的增大，回流区3的强度逐渐增强，回流区4的面积逐步减小。即图2中m=2、n=1的结构阀体处回流区最小，即产生空蚀的可能性最小。由于二级节流口m和n的尺寸决定上下游节流口的相对位置，其会影响流体流经节流口后的流向和流速，节流阀二级节流口拐点(A、B)之间的连线与液体的流向基本一致，其与水平线的夹角越小，节流口后的回流区面积也就越小。

图2 流场(上半部)和流速分布图(上半部)Fig.2 Flow charts(the upper part)and Velocity contours(the down part)

从图2还可知，不同节流口尺寸下阀内油液的流速分布。由于通流截面积的突然缩小会导致流速升高，所以阀内油液流速从2 m/s增加到40 m/s。图中流速较小(2 m/s)的区域主要分布在阀座的拐角、二级节流口中间腔、阀芯顶端及节流口下游回流区内;流速较高区域主要分布在节流口下游流道中心;流速变化区域主要分布在上游节流口和下游节流口之间的过渡区域，这与文献［14］的结论一致。此外，随着m值的增加和n值的减小，高流速区域逐步向节流口附近扩展。m值的增加增大了下游节流口的开度，从而使得下游节流口附近的流速下降，上游节流口处流体流速相对增加，所以高流速区域就会向上游扩展。同样，n值的减小会增加上游节流口的节流作用，上游节流口附近的流速增大，高流速区域亦向上游扩展。从图2还可知，节流口尺寸m=2，n=1时高流速区域面积最小，且流速变化较小，所以该种结构下空化现象最不易发生。

2.2 空化压力场与空化区域分析

不同节流口结构下二级节流阀阀腔内压力分布云图(上半部)与空化区域分布(下半部)见图3，图3中低压区主要分布在节流口下游，与图2中回流区4的位置一致。在节流口处以及节流口下游流道中心区域，压力梯度较大。随着m值增加和n值减小，节流口的节流作用更加明显，流体流经节流口后的流速逐步减小，降低节流口下游相对流速，从而减小节流口下游的低压区并导致发生流体脱落的区域变小。从图3可知，节流口尺寸m=2，n=1时，阀中低压区域最小，节流口后的压降也最小，此时抗空蚀性能最好。

图3 压力(上半部)和空化区域分布图(下半部)Fig.3 Pressure contours(the upper part)and cavitation region distribution(the down part)

对于尾流和射流而言，空化现象首先出现在因分离所引起剪切层的表面［17］。气体体积比作为空化程度以及空化区域的衡量依据［9］，图3(a)～图3(i)为不同节流口尺寸下节流阀内空化区域分布图。从图中可以看出:不同结构尺寸的二级节流阀(m、n不同)内部均有空化现象发生，且空化区域主要分布在节流口后靠近流道边缘的低压区，即流体分离层处。随着n值减小，流经节流口的流体流速逐步降低，低压区域逐步缩小，对应的空化区域也逐步萎缩，由图3(g)可知，(m =2，n=1)的空化区域几乎消失，所以此种结构下节流阀抗空蚀性能较高。但是，m=2，n=1时阀芯倒角处出现新的空化区域，所以不能简单的通过持续增大m值和减小n值来获得更好地抗空蚀特性结构。

3 结论

本文以液压油为流体介质采用Fluent数值模拟了节流口尺寸变化对二级节流阀内部空化流场的影响，得出了以下结论:

(1)节流阀阀口尺寸变化对二级节流阀内部压力场、流场和空化区域有很大的影响。

(2)二级节流阀内上游腔的拐角处、二级节流口中间腔的近壁面区域、阀芯的顶部、节流口下游的近壁面区域存在四个回流区。

(3)从减少对阀体结构空蚀角度来看，阀口尺寸m=2、n=1时，即沿着流线方向尺寸为2 mm、垂直于流线方向尺寸为1 mm时该二级节流阀抗空蚀效果最好，但该方案在节流阀阀芯附近出现空化区，可能对阀芯造成一定的空蚀破坏。

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Effects of structural sizes on characteristics of cavitating flows in a two-step throttle valve

LIU Xiu－mei1，2，3，HE Jie1，LONG Zheng1，LIWen－hua1，LIBei－bei1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;
2.The State Key Lab 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＆Technology，Xuzhou 221116，China)

The shape and structural sizes of throttle valve port have a direct impact on the characteristics of cavitating flows in a two－step throttle，so it is important to choose and design the right form of the throttle valve port.Here，the effects of different port sizes on cavitation flow field，flow velocity and cavitation area in a throttle valve were investigated using CFD to choose the best combination of port sizes and choke sizes.The numerical results showed that there are four vortexes located atupstream of the flow channel，thewall of themiddle section of two－port valves，the top of valve rod，and downstream of the flow channel;with the change of port size of m and n，the positions of vortex in a twostep valve are almost the same，but their areas change;however，if m=2，n=1，the two－step throttle valve has a better structure with an anti－cavitation performance.The results provided a theoretical basis for engineers to design a highperformance throttle valve.

throttle valve;valve port;opening;valve port size

TH137;O359

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.025

国家自然科学基金(51209203，51309221，51205391);江苏省自然科学基金项目(BK2012131);浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室(GZKF－201317);江苏高校优势学科建设工程资助项目;江苏省第三批高校优秀中青年教师和校长赴境外研修项目

2014－11－17修改稿收到日期:2015－01－07

刘秀梅男，博士，副教授，1982年生

李贝贝男，博士，讲师，1984年生