郑文婧,张东东,练 敏

(兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州 730050)



纯水液压锥阀中二级节流的抗气蚀性能研究

郑文婧,张东东,练 敏

(兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州 730050)

为了研究二级节流结构在水压锥阀中的抗气蚀特性,首先从理论上进行分析,然后通过CFD软件,对不同锥角二级节流锥阀的三维流道进行气穴流场的数值模拟计算。通过仿真计算,得到相应的压力分布云图和气体体积百分比分布。分析压力分布对气体体积数的影响,并将结果与一级节流进行对比分析,采用二级节流使得节流口进出口压降减小,经过阀口的最低压力升高,气体体积百分数明显降低;在开度为0.4mm、阀芯半锥角为30°时,没有产生气泡,直接抑制气蚀的产生。因此,二级节流结构能够有效地减轻水压锥阀的气蚀现象。

水压锥阀;二级节流;气蚀;两相流;CFD

水压传动技术直接以海水或淡水作为工作介质,是21世纪的一个新型绿色传动技术。随着液压技术向高速、高压、大功率方向发展,特别是纯水液压方向的发展,气蚀现象已经成为影响该技术进步的主要原因之一[1]。气蚀的产生会使液压阀的特性变坏,使系统产生振动、噪声,降低元件的使用寿命[2]。

二级节流由两个串接在一起的节流口组成,是防止和减轻水压阀中气蚀的一种有效结构形式[3]。目前,国内外很多人对二级节流的气蚀特性做了大量的研究。文献[4]中实验研究了中高压时两级锥阀式节流阀口在水压系统中的性能。文献[5]中研制了先导式溢流阀的主阀采用二级节流形式,抑制气蚀现象的产生。刘银水等[6]从理论和实验方面分析了水压阀中二级节流的抗气蚀性能。但是对二级节流从流场的可视化出发,采用气液两相流分析方法,分析压力场对气蚀性能影响的研究较少。

研究先从理论上分析二级节流的抗气蚀性能,然后针对不同结构二级节流的三维流道,通过计算流体动力学(CFD,computationalfluiddynamics)软件,采用气液两相流技术,对其内部流场做了可视化的研究,并分析了压力场对气体体积分数的影响。充分说明了二级节流是有效的抗气蚀结构,为以后水压锥阀的设计提供了理论依据。

1 二级节流的气蚀特性分析

图1为一种二级节流的锥阀阀口结构。设进口压力、两节流口之间的压力及出口压力分别为p1、p2、p3。

图1 二级节流结构Fig.1 Secondary throttle structure

水的气化压力是油液的千万倍,当阀口处的压力低于水的空气分离压时,溶解或混于水中的空气就会分离,产生气穴现象。当含有大量气泡的液体随着高压流入阀体回流腔时,气泡溃灭,从而发生气蚀,并伴随有振动和噪声产生[7]。目前,液压传动中以气蚀指数σ来衡量气蚀发生的大小,σ的值越大,发生气蚀的可能性越大。二级节流的第一、第二节流口的气蚀指数分别为

(1)

(2)

一级节流口的气蚀指数为

(3)

其中:pV为水的气化压力,50 ℃时,pV=1.2×105Pa。因为p1≥p2≥p3,所以,σ1≤σ0,σ2≤σ0,即二级节流的两个节流口的气蚀指数均小于一级节流,因此二级节流能够减小气蚀发生的可能性。

2 CFD计算模型

2.1 流体基本方程

流体在运动过程中遵守物理守恒定律。当流体运动为湍流时,CFD根据流体基本方程以及附加湍流输运方程,对流体的运动过程进行计算。对应的流体控制方程如下:

(1)质量守恒方程为

(4)

其中:ρ为流体密度;ui为i方向速度。

(2)动量守恒方程为

(5)

其中:uj为j方向速度;p为静压;τij为应力张量;ρgi为重力体积力;Fi为外部体积力。

(3)能量守恒方程为[8]

(6)

其中:keff为有效导热系数;Jj′为组分j′的扩散通量;Sh为包括化学反应热和其他体积热源的源项;hj′为组分j′的焓。式(6)右边三项分别为导热项、组分扩散项、粘性耗散项。

2.2 锥阀的结构及流道网格模型

不同锥阀的结构见图2。阀口网格划分模型见图3。

图2 不同锥阀结构Fig.2 Different cone valve structure

图3 阀口网格划分模型Fig.3 Valve port dividing model

2.3 计算条件

由于对锥阀进行的是静态分析,因此在数值计算过程中,可以对模型作如下假设[9,10]:由于气穴是低压情况下水气分离的现象,因此选择多相流模型中的混合模型,指定液态水为基本相,水蒸气为第二相。同时,设置气穴模型,质量转换是从基本相到第二相,即由水变为气,保持气化压力为3 540Pa。流体的材料属性见表1。

表1 流体材料属性

流体的进口边界条件为速度进口,轴向平均速度为5.0m/s,其余方向速度均为0,进口处液相体积分数为1,气相的体积分数为0;出口边界条件为压力出口,绝对压力为1.0×105Pa。整个数值模拟的操作环境为大气压101 325Pa。流体与壁面的接触为静止壁面,绝热,无滑移,采用标准的壁面函数计算。

3 仿真结果和分析

对于二级节流,由于流体通过两个串联的节流口共同分担阀口两端的压差,使每一个节流口两端的压差均减小,节流口的流速下降。对半锥角分别为30°、45°、60°,开度为0.3mm和0.4mm的不同模型进行仿真模拟,得出主要影响气蚀产生的压力分布图,分析气体体积含量与压力的关系。图4为二级节流锥阀在不同锥角、不同开度时的阀口处压力分布。

由静压分布图4可知,流体经过第一个节流口时,在中间区域产生较大的压降,甚至达到负压,达到水的汽化压力,使溶解于水中的气泡析出,产生气穴现象。在经过第二个节流口时,气泡随着高压进入阀的下腔。由此推测,在锥阀锥面与柱面过渡处,由于压力回升,气泡将会破裂,对阀芯的金属表面形成损害,轻微时产生许多小麻点或者许多蜂窝状的小孔,即产生气蚀现象,同时伴随有剧烈的振动以及噪声。长时间气蚀的反复破坏,最终会导致阀芯断裂,减少阀的使用寿命。同时,从压力云图还可以得出,半锥角为30°时所产生的最低压力以及负压面积明显小于半锥角为45°和60°时的情况,说明其产生气蚀的程度将会减小。因此,在设计二级节流的锥阀时,要适当的减小锥角,提高锥阀的性能。而且在锥角相同的情况下,开度为0.3mm时的负压程度大于开度为0.4mm时的负压程度,负压面积也较大。

现将以上6种模型的一级节流情况进行仿真分析,得出其阀口处的负压以及气泡含量,并计算出气穴指数,与二级节流作比较,得到表2。

图4 阀口处压力分布Fig.4 Pressure distribution in valve port

表2 一级节流与二级节流的仿真结果比较

从阀口处的最低压力可以看出,二级节流明显高于一级节流,而且在半锥角为30°,开度为0.4mm时,二级节流没有产生负压,且最低压力高于水的汽化压力,这表明二级节流完全抑制了气穴现象的产生。从气泡含量来看,随着开度增加,两种节流口形式的气泡含量都有所降低,而且在二级节流情况下,气泡的含量明显减小。同时,气穴指数也随之减小,表明气蚀程度降低。通过对比分析,充分说明二级节流结构有利于减小气蚀现象,提高水压阀的抗气蚀性能。

4 结论

(1)理论上,二级节流的两个节流口的气蚀指数均小于一级节流,因此二级节流能够减小气蚀发生的可能性。二级节流中,30°的半锥角比45°和60°的半锥角的抗气蚀性能要好。因此,在锥阀设计时要设计合理的锥角,以提高阀的性能。

(2)二级节流与一级节流相比较,阀口的进出口压降减小。相同锥角情况下,开度的增加使得气泡含量相对减少。而且二级节流与一级节流相比,在相同情况下,二级节流所产生的气泡含量明显降低,在开度为0.4mm、阀芯半锥角为30°时,甚至可以完全抑制气泡的产生,即有效地避免了气蚀现象。这充分说明,二级节流是防止气蚀发生的有效办法。

[1]WolfgangBacke.Water-orOil-hydraulicsintheFuture[C]//TheSixthScandinavianInternationalConferenceonFluidPower,Tampere,Finland,1999.

[2]LiuYinshui,HuangYan,QiuHongli.AStudyofTwo-stepThrottleinWaterHydraulics[C]//ProceedingsoftheFifthInternationalConferenceonFluidPowerTransmissionandControl(ICFP’2001),Hangzhou,China,2001.

[3] 廖义德,刘银水,黄艳.二级节流抗气蚀性能研究[J].流体机械,2013,31(6):1-3.

[4]KariT,Koskinen,MattiVilenius.ProceedingsoftheSixthScandinavianInternationalConferenceonFluidPower(SICFP’99)[C]//Tampere,Finland:TampereUniversityofTechnology,1999.

[5]AoyamaY,MatsuokaY,YamamotoM,etal.TheCavitationPerformanceofanOilHydraulicPoppetValve[C]//TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineers,PartB,1988.

[6] 刘银水,黄艳,邱鸿利,等.二级节流的性能分析及其在水压阀中的应用[J].机床与液压,2001,29(5):16-18.

[7] 聂松林,杨友胜,朱玉泉,等.二级节流中间区域压力分布及刚度特性分析[J].液压与气动,2005,29(8):9-11.

[8] 冀宏,傅新,杨华勇.内流道形状对溢流阀气穴噪声影响的研究[J].机械工程学报,2002,38(8):19-22.

[9] 张远深,尚世卓,方亚东,等.一种基于JMA的液压高速开关阀阀芯结构的设计[J].甘肃科学学报,2014,26(5):41-44.

[10] 杨国来,司国雷,张守印,等.纯水液压锥阀的优化设计与流场的数值模拟[J],液压与气动,2005,29(8):80-82.

Anti-cavitationPerformanceStudyofSecondaryThrottleinPureWaterHydraulicPressureConeValve

ZhengWenjing,ZhangDongdong,LianMin

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

Forthepurposeofstudyinganti-cavitationperformanceofsecondarythrottlestructureinhydraulicpressureconevalve,first,weanalyzefromtheoryangle,secondly,byCFDsoftware,thethree-dimensionalflowpassofsecondarythrottleconevalvewithdifferentconeangleisconductednumericalsimulationcalculationofcavitatingflow.Bysimulatingcalculation,wegetcorrespondingpressuredistributionnephogram,gasvolumepercentdistributionwhichareusedtoanalyzetheeffectofpressuredistributionongasvolume.Comparetheresultwithfirstclassthrottle,andusesecondarythrottletoreducepressuredropofinandoutthrottle,asaresult,theminimumpressurepassingvalveportincreases,andgasvolumepercentageremarkablyreduces;whenopeningis0.4mmandvalveelementhalfconeangleis30°,thereisnotbubble,socavitationisrestrained.Consequently,secondarythrottlecaneffectivelyrelievethecavitationphenomenonofhydraulicpressureconevalve.

Hydraulicpressureconevalve;Secondarythrottle;Cavitation;Two-phaseflow;CFD

ZhengWenjing,ZhangDongdong,LianMin.Anti-cavitationPerformanceStudyofSecondaryThrottleinPureWaterHydraulicPressureConeValve[J].JournalofGansuSciences,2016,28(6):98-101.[郑文婧,张东东,练敏.纯水液压锥阀中二级节流的抗气蚀性能研究[J].甘肃科学学报,2016,28(6):98-101.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.020.

2015-07-28;

2015-08-26.

郑文婧(1990-)，女，甘肃定西人，硕士研究生，研究方向为现代液压元件及液压传动与控制.E-mail:15117146233@163.com.

TH

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