水压锥阀空化射流流场结构与流量特性的相关性研究

袁 聪 ，朱丽莎 ，杜尊令 ，李 鹤 ，，宋锦春

（1.肇庆学院 机械与汽车工程学院，广东肇庆 526061；2.东北大学 机械工程与自动化学院，沈阳 110819）

0 引言

液压元件的溢流阀通常采用锥阀结构，在运行过程中需要承受极大的压差，易于形成空化射流，水压元件的空化现象往往要比油压元件要更为严重；空化的发生使液体失去连续性，形成两相流动，并带来一系列的不利影响，包括空蚀、噪声、振动、压力或流量脉动。当小尺寸节流结构发生严重的空化时，甚至会导致流量阻塞，对元件的控制性能造成明显的干扰甚至成为液压系统平稳运行的潜在威胁。

为了探索锥阀空化流场及其对锥阀流量特性的影响，国内外学者开展了大量的研究工作。OSHIMA等［1］通过实验拍摄，首次揭示了油压锥阀的空化形态。OSHIMA等［2］通过实验测量揭示了水压锥阀在不同工况下的空化分布及流量特性，揭示了空化结构的分布规律。LIU等［3］研究了阀座结构对水压锥阀的影响，证实了锥阀流量特性曲线同时受到阀座结构及流动条件的影响。NIE等［4］结合CFD方法分析了多种水压锥阀内部流场的压力分布规律，并基于压力分布最佳原则提出了两级式水压锥阀的结构优化。WASHIO等［4］报道了油压锥阀的流动状态与流量特性的关联，评估了空化效应对流量系数曲线的影响，并改进了锥阀的流量预测方法。YUAN等［5］使用CFD方法分析了油压锥阀的拟序结构的演变状态，对流场整体流动状态开展了定性分析，并揭示了流量特性的阶段性变化趋势。侯聪伟等［6］研究了笼罩结构对锥阀空化特性的影响，分析了笼罩结构参数对空化抑制效果的影响。贺杰等［7］研究了不同背压条件下的锥阀空化流场，从压力、速度及空化分布分析了背压对锥阀空化流动的影响。张建斌等［8］探索了锥阀空化射流的多相耦合现象，揭示了空化流动造成阀芯端面上的应力集中现象。

上述的研究从多种角度揭示了锥阀的空化流场及流量特性，证实了阀座结构对流量曲线的重要影响。当前，对直角型阀座和倒角型阀座的研究较多，并且此两种阀座结构对流量特性及空化分布规律已经阐明，但是，空化效应对流量特性的影响机制尚未明确。为此，本文通过开展水压锥阀内部空化射流的三维瞬态模拟，分析不同空化条件下的流场结构，对比直角型阀座和倒角型阀座的关键流场特征，揭示阀座结构对流量特性的影响机制。

1 数值方法

根据高速喷射流的数值算法研究［9］，即使对于马赫数较小的流动条件，仍需要考虑液体的可压缩性才能精确捕捉小尺寸漩涡，因为密度波动在剪切强烈区域产生耦合项并使流场进一步形成不稳定性。为此，本文使用可压缩VOF空化两相流算法，其相方程如下：

式中 αl，αv—— 各相的体积分数；

l，v ——下标，液体、蒸汽流体；

Ur——混相网格的流相间滑移率；

ρl，ρv——各相密度；

U ——混相的平均速度；

m —— 两相间的传质速率，包含两个源项，分别代表从汽态到液态以及从液态到汽态两个转换过程，m=m++m-。

式中 cAlpha —— 汽泡边界的附加压缩因子，通过减少混相区域的厚度来逼近现实情况的微薄界面，本计算中取0.7。

动量平衡方程中加入表面张力，为：

式中 σ ——汽泡的张力系数；

κ——界面的曲率。

上式的最后一项代表界面处的张力。

相间的传质过程通过Schnerr模型处理，如下式所示：

式中 ρv——诱发空化的临界压力。

在CFD开源环境OpenFOAM上根据以上方程构建空化两相流求解器，以PIMPLE循环进行迭代求解，时间微分项使用Backward策略离散，对流项使用LimitedLinear策略离散，相方程通过显性算法MULES进行求解，将动量平衡方程进行体心到面的半离散处理并结合连续性方程构建压力方程，开展PISO修正求解压力及速度。详细的算法实现可参照相关文献［9］。锥阀几何模型及计算网格如图1所示，直角型锥阀有480万网格，倒角型锥阀有500万网格。入口和出口均设置为非反射性恒定总压边界条件。

图1 倒角式水压锥阀结构示意及计算网格Fig.1 Structural diagram of water poppet valve with chamfered valve seat and the corresponding calculation grids

2 计算结果及分析

2.1 流场结构分析

图2示出了4种工况下数值方法预测的直角型水压锥阀瞬时空化分布，同时附有压差为4，4.5 MPa工况的实验拍摄照片［1］（本研究中，下游压力均为0.5 MPa）。在压差为4 MPa的运行条件下，空化主要集中在阀芯后沿区域，同时在阀口下游至阀芯后沿之间的区域有小尺寸的游移型空化。在压差为4.5 MPa流动条件下，游移型空化的尺寸得到极大提升并在阀口至阀芯后沿区域形成密集的空化分布，同时在阀芯后沿区域产生大尺寸汽泡结构。数值模拟结果显示该大尺寸汽泡呈现稀疏分布特征，覆盖在阀芯后沿下游4.1 mm×3.5 mm区域；试验拍摄照片呈现相似的空化分布规律，后沿大尺寸汽泡区域为4.0 mm×3.9 mm。图3示出图2相应工况下的流场结构模拟结果。根据三维视角下的空化结构及漩涡结构分布，在阀口下游至阀芯后沿有大尺寸的漩涡结构产生，并且空化总是位于漩涡中心区域。表明该区域的空化是由漩涡中心压降诱发的漩涡空化。另外，速度云图揭示在阀芯后沿处有分离流现象，并在相应区域产生附着型空化。

图2 直角型阀座空化形态及分布规律（实验对比照片引自文献［1］，空化结构通过αl=70%等值面识别，开口度为0.6 mm）Fig.2 Cavitation morphology and distribution of sharp valve seat case（experimental images from previous study［1］，cavitation is identified with iso-surface αl =70%, openness is 0.6 mm）

图3 直角型锥阀的流场模拟结果（漩涡结构通过Q=1×1010等值面识别）Fig.3 Flow structure simulation results of sharp valve seat case（vortex structure is identified with iso-surface Q=1×1010）

图4，5示出了倒角型水压锥阀的空化分布及流场结构。在压差为3 MPa时，空化主要分布在倒角阀座流道内。当压差为4.4 MPa时，倒角阀座流道的空化结构与其出口下游的漩涡空化相连，并一直延伸至阀芯后沿下游。阀芯后沿下游区域，有类似的大尺寸汽泡结构产生，模拟结果与实验照片的覆盖区域分别为4.6 mm×3.2 mm和4.4 mm×3.4 mm。根据图5展示的流场结构，射流势核分别在倒角阀座流场入口及阀芯后沿处发生分离流，并在此2个相距甚远的区域形成附着型空化。同时，在阀口出口下游至阀芯后沿区域产生比直角型锥阀尺寸更大的漩涡，因此图4（a）中的漩涡空化比图2（a）有更密集的分布。数值模拟获得的详细瞬态过程可参见以下网上视频。

图4 倒角型阀座空化形态及分布规律（实验对比照片引自文献［1］，开口度为0.6 mm）Fig.4 Cavitation morphology and distribution of chamfered valve seat case（experimental images from previous study［1］，openness is 0.6 mm）

图5 倒角型锥阀的流场模拟结果Fig.5 Flow field simulation results of chamfered valve seat case

2.2 流场结构与流量特性的关联

图6示出两种锥阀的流量曲线。在无空化的流动情况时，倒角型锥阀的流量系数为1.02左右，比直角型锥阀高约30%。随着空化程度的增强，倒角型锥阀的流量系数有缓慢减小的趋势，而直角型锥阀则基本保持为0.7左右，与无空化流动的情况相比变化不大。在4.4 MPa的压差条件下，倒角型阀座的节流系数减至约0.8，与直角型阀座节流系数已较为接近。显然，阀座结构的改变使流场结构发生关键性转变，不仅导致锥阀节流特征呈现不同的变化趋势，并进一步导致流量特性对空化的敏感度存在差异。

图6 流量特性曲线变化趋势（开口度为0.6 mm）Fig.6 Variation of flow discharge coefficient against pressure drop（0.6 mm openness）

图7，8分别示出0.4，0.6 mm两种开口度下的2种锥阀在阀口附近的时均速度分布，压差2 MPa对应非空化流动，其余压差条件为空化流动。由于分离流现象，倒角型锥阀存在明显的通流面积收缩现象，射流势核的厚度在入口下游处减小。值得注意，该通流面积收缩现象同样发生在直角型阀座的阀口出口区域。在空化流动情况下，直角型锥阀的最小有效通流面积小于倒角型锥阀，如图7（c）和8（c）所示。另外，由于倒角型阀座流道入口存在分离流，隔绝了壁面剪切作用，因此造成倒角阀座流动入口出的局部加速现象，其在中心区域比直角型锥阀有更大的流向速度。对于0.6 mm开口度的设置，如图8（c）所示，倒角型锥阀的射流势核中心流速比直角型锥阀高约30%，恰好对应于图6中的两者流量特性曲线差值。

图7 时均速度云图及势流势核截面速度曲线（开口度为0.4mm）Fig.7 Time-mean velocity contour and sectional velocity curve of jet potential core（0.4 mm openness）

图8 时均速度云图及势流势核截面速度曲线（开口度为0.6 mm）Fig.8 Time-mean velocity contour and sectional velocity curve of jet potential core（0.6 mm openness）

图9，10分别示出0.4 mm开口度的时均压力分布情况，压差20 MPa对应非空化流动，压差3.9 MPa对应空化流动。对于直角型锥阀，阀座端点处存在局部压降，但是即使在空化流动工况下，该压差仍然保持在足够高的程度，不足以诱发空化；而阀芯表面的压力分布沿流动方向呈现缓慢下降趋势。对于倒角型锥阀，倒角阀座流道入口处由于分离流现象导致压力骤降，引起附着型空化；而阀芯表面亦受到影响存在高于空化临界压力的局部低压区域。图11示出了0.6 mm开口度的时均压力分布云图，其分布规律与0.4 mm开口度的情况较为类似。另外，图11中亦有时均空化分布云图，在空化流动的工况下，紧随直角型锥阀阀口的下游区域未见有空化分布。由于更高的压差，射流势核有更高的流速，因此在自由剪切层有更高剪切强度，同时在射流势核收缩位置并未受到空化的明显阻塞，造成射流势核的厚度增加。对比图8（c）与8（f）中的直角型锥阀流向速度曲线发现，直角型锥阀的时均速度增大，同时通流面积增大。对于倒角型锥阀，图11（d）显示倒角阀座流道内的附着型空化从入口一直延伸至出口。在空化流动时，即使射流势核有更陡峭的速度梯度，但由于空化结构的阻塞作用导致更强的节流效应，射流势核的厚度并不能增大。根据图7（f）及图8（f），空化流动条件下，两者的通流面积趋于一致；同时在图8（f）的工况下，两者的射流势核中心区域流向速度几乎接近，说明倒角型锥阀的局部加速效应造成的局部加速在附着空化的额外节流效应的作用下大为削弱。在图8所示的空化流动条件下，两者的节流系数已接近相等。

图9 直角型锥阀时均压力分布（开口度为0.4mm）Fig.9 Time-mean pressure distribution in sharp valve seat case（0.4 mm openness）

图10 倒角型锥阀时均压力分布（开口度为0.4mm）Fig.10 Time-mean pressure distribution in chamfered valve seat case（0.4 mm openness）

图11 时均压力分布及汽相分布（开口度为0.6mm，左侧为压力云图，右侧为汽相云图）Fig.11 Time-mean pressure distribution and vapor distribution（0.6 mm openness, the pressure contour and vapor contour are located at the left and right side, respectively）

3 结论

（1）直角型锥阀和倒角型锥阀均存在漩涡空化及附着型空化。直角型锥阀和倒角型锥阀都在阀芯后沿的分离流区域产生附着型空化，在阀口下游区域产生漩涡空化；倒角型锥阀在倒角阀座流道内亦存在分离流现象，并产生附着型空化。

（2）当流场中不涉及到空化现象时，由于倒角型阀座流道入口的分离现象引起局部加速现象，其射流势核中心流速比直角型阀座的中心流速高约30%，而两者的节流系数分别为1.02和0.7，表明两种阀座结构射流势核中心速度值与节流系数存在相关性。

（3）随着空化效应的逐渐增强，两种阀座结构入口射流势核中心流速分布曲线逐渐趋于一致，直角型阀座的节流系数仍然保持0.7左右；而倒角型阀座则不断减小，并在4.4 MPa的压差条件下减至0.8，与直角型阀座的节流系数相差无几。