二维阀测空化噪声的数值模拟

2022-07-23赵永华

现代制造技术与装备 2022年6期

程宽赵永华

（嘉兴职业技术学院智能制造学院，嘉兴 314036）

液压阀是液压系统中用来控制液流的压强、流量和流动方向的控制元件。二维阀将先导级和功率级集成在一个阀芯的两个运动自由度上。先导级的旋转滑阀开口具有很高的压强增益，电-机械转换器只需输出很小的角位移就能引起压强的急剧变化，易于实现阀的快速工作和高频响应。二维阀具有体积小、结构简单、性能稳定、动态特性理想、抗污染能力强、泄漏流量小以及功重比大等优点。二维阀阀芯的转动使得阀的节流口频繁启闭，导致通过节流口的液体压强骤降。当液体局部压强低于其饱和蒸气压时，液体中原有的“气核”成长为气泡，而气泡在高压处溃灭，就会发生空化现象[1]。空化现象是引起二维阀压强脉动、振动和噪声的重要原因[2]。

国内外学者对螺旋桨、离心泵、水翼等的空化噪声进行了研究，研究通常采用基于FW-H方程的声类比法。在空化声学特性的研究中，黄景泉分析了单个空泡从初生到溃灭的噪声，得出了空泡声辐射能量集中在溃灭阶段，空泡群的声功率等于单空泡辐射能量的平均值与每秒溃灭空泡数乘积的结论[3]。戚定满等利用边界元法计算了单个空泡的演变过程，同时进行了噪声谱特性分析[4]。文献[5]利用这些方法对空泡噪声进行了预测。

本文拟采用大涡模拟和Schneer-Sauer空化模型相结合的方法对二维阀先导级空化流动进行数值计算，并预测空化噪声。

1 模拟处理及计算条件

利用UG三维建模软件，建立三通径二维阀三维模型。反向建模生成流道模型，二维阀先导级阀口通道结构具有双流道中心对称的特点。当阀芯旋转打开高压节流口时，流体经过主阀芯中间孔的流道流至模型入口，经过渡通道到达高压区，经高压节流孔至阀套斜槽内，再流至敏感腔。本研究选取一半的流体模型作为分析对象，进口流道直径2.0 mm，过渡流道直径1.2 mm，出口处的面积约为4.5 mm2。使用MESH软件进行网格划分，采用四面体网格对滑移面和节流口进行局部加密处理，在出口处设置5个监测点，以获得压强脉动信息。

利用FLUENT中最通用的Lightill噪声比拟方法，对二维阀先导级的流场和声场进行数值模拟，采用混合多相流的空化模型和大涡模拟模型，选择PISO压强速度耦合算法和一阶迎风格式进行计算。定义主相为液压油，密度为780 kg·m-3，粘度为 0.0024 kg·m-1·s-1；次相为空气，密度为1.225 kg·m-3，粘度为1.789×10-5kg·m-1·s-1；主相与次相的转换满足cavitation模型。数值模拟采用压强入口、压强出口以及无滑移标准壁面函数边界条件。

2 仿真结果分析

选取节流口开度为0.02 mm时，对二维阀先导级在空化条件下进行分析。通过过渡流道轴线并垂直于进口流道轴线的流体面为分析面[5-6]。

2.1 空化流致噪声分析

图1为分析面的压强、速度矢量和流线、气体体积分布。如图1所示，由于二维阀先导级节流口的节流作用，节流口下游区域内出现了明显的低于阀内液体饱和压强的低压区。从压强分布图可以看出：节流口上游的阀芯部分为高压区，下游的低压区出现在阀套斜槽内。这一低压区的存在会使液体中原有的气核成长为气泡[7]。当这些气泡被流体带到高压处时溃灭，将释放巨大的脉冲压强，脉冲压强反复冲击阀的表面，就会发生空化现象。在发生空化后，通过节流口的高速流体射流强度增强，说明空化的发生对阀内流体的流动影响很大。从气体体积分布图可以看出，斜槽内的旋涡旋向改变时，通过节流口的高速射流加剧了空泡的聚集，而空泡在汇集过程中又会使空化区的流体流动变得更加复杂[8-11]。

2.2 空化噪声分析

空化条件下，二维阀先导级各监测点空化噪声频域特征如图2和图3所示。从图2的声压曲线可以发现，各监测点的声压曲线走势大致相同。在200 Hz以内的低频区域声压级数较高，能量较大；在200 Hz以外的区域声压级数较低，能量较小。在0～200 Hz，声压曲线下降很快；在200 Hz之后，声压曲线基本趋于平缓，变化幅度较小[12]。声压级最终稳定在120 dB。

从图3可以发现，空化条件下，二维阀先导级的空化噪声集中在200 Hz以内的低频区域。5个监测点中，p3点的频谱特性与其余4点不同。它除了在200 Hz内密集的声压频率外，500 Hz处出现了明显的次频，说明该点所反映的距离节流口最近的阀套斜槽区内侧壁面积聚了更多的湍动能，所以贡献了更高频次的声压波[13-14]。