冀 宏， 赵宏科， 刘耀卓， 刘银水

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院， 甘肃 兰州 730050；2.华中科技大学 机械科学与工程学院， 湖北 武汉 430074)

引言

阀配流柱塞泵由于密封性好，适用于水介质高压及超高压泵[1-2]。配流阀的动态性能对泵的可靠性、容积效率有着至关重要的影响。然而，目前对于配流阀的动态特性及其对泵容积效率的影响，还缺乏定量化刻画，使得柱塞泵阀配流的高可靠性设计、容积效率准确预测等缺乏理论依据。

近年来，众多学者针对配流阀的流动特性和配流机理进行了一些理论分析、实验和仿真研究，取得了一定成果。何贵元[3]以平板阀为研究对象， 通过实验对吸水阀滞后特性进行分析，结果表明，适度加大吸水阀的弹簧刚度可减小阀芯关闭滞后。韦春辉等[4]对引起超高压海水泵配流阀运动滞后的因素进行研究，得出泵余隙容积越大，配流阀开启滞后现象越明显。张杰[5]在AMESim中建立了配流阀模型，得出随着阀芯半锥角的增加配流阀滞后现象减弱，负载压力增加时排水阀滞后时间趋于定值。张占东等[6-7]搭建了往复式乳化液泵试验台，研究得出，排液阀在不同转速下的行程是变化的，排液阀在开启过程中存在明显抖动且吸排液阀均有滞后现象；基于流体力学基本理论，建立配流阀动力学模型，利用实验和AMESim仿真相结合的方法，分析了流量脉动率的大小，得出在吸排液行程转换阶段，排水阀存在流量回冲倒灌现象。张小龙等[8]建立ADAMS-AMESim固液耦合仿真模型，研究了配流阀弹簧刚度等参数对水压柱塞泵容积效率的影响，得出增加配流阀弹簧刚度和预紧力能有效提升泵的容积效率。于兰英等[9]建立水压变量泵仿真模型，对水压泵配流特性进行分析，研究表明，提高弹簧刚度或预紧力有利于提高配流特性。严璐[10]对乳化液泵高速配流阀动态特性进行仿真分析，得出转速越高，对配流阀结构及寿命要求越高，锥阀更适合高速配流系统。叶文杰等[11]对高压压裂泵配流阀流场特性进行分析，得出阀盘锥角和升程分别为60°和15 mm时有利于减弱射流对阀盘冲蚀，提高配流阀使用寿命。陈雪聪[12]建立了高压油泵配流阀动网格流场仿真模型，研究了不同结构参数对配流阀特性的影响，结果表明，适当增加弹簧预紧力可降低阀芯滞后高度，减小回冲射流。上述针对配流阀的研究主要是在AMESim中采用集中参数法对其性能进行分析，与配流阀的实际工况有所差别，且着重于对影响阀芯滞后的因素进行探讨，对排水阀回冲射流现象造成的容积效率损失问题很少有量化的结果。

本研究采用高速摄像系统观测阀配流柱塞泵的回冲射流现象及形态特征，并以配流阀阀芯位移及压力实测数据为边界条件，对水压柱塞泵排水配流阀进行动网格流场仿真，获得排水阀回冲射流造成的容积损失数值，为深入理解配流阀回冲射流特性及泵容积效率准确预测提供基础依据。

1 实验设计与搭建

1.1 实验装置与实验步骤

实验系统原理如图1所示，通过变频器调节电机转速，电机带动单柱塞水压泵进行往复运动，因此，泵腔内出现正负交替变换的压力，负压时吸水阀打开，完成吸水工况，随着压力增大，吸水阀关闭，排水阀打开，完成向外排水。在单柱塞水压泵的前端装有压力传感器实时采集泵腔内的压力，高速相机对排水阀回冲射流图像进行实时记录，数据采集系统能够同步触发高速相机使得泵腔内压力和阀芯运动图像实现实时同步。

图1 实验系统原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

排水配流阀具体结构及关键尺寸如图2所示。整个泵体和透明阀体均采用单层有机玻璃加工而成，并用紫外线固化胶粘结，保证高速相机可以清楚地捕捉到阀芯的运动和阀内流动状态，吸排水阀阀芯采用碳化硅陶瓷材料加工而成。

图2 排水球阀结构及关键尺寸Fig.2 Drainage ball valve structure and key dimensions

1.2 实验条件

本研究对象是单柱塞水压泵排水配流球阀，通过实验观测排水阀在排水过程中的回冲射流现象，并记录阀芯运动图像、泵腔压力和排水量，排水阀出口与透明软管相连，并将软管出口固定在距排水阀出口1 m高度处，保证出口压力为定值，具体实验参数如表1所示。

表1 实验参数Tab.1 Experimental parameters

1.3 回冲射流实验现象分析

将柱塞运动到上死点的时刻记为0时刻，如图3a所示。柱塞从上死点(0 ms)到下死点(19 ms)的过程属于向外排水阶段，19 ms以后，柱塞从下死点向上死点过渡转换，泵腔内压力开始降低，当柱塞腔压力小于出口压力时，排水阀由于阀芯滞后未能及时关闭，导致已经排出的液体瞬时回冲倒灌，伴随着强烈的射流和空化现象，如图3b所示。

图3 单柱塞水压泵实验过程及回冲射流现象Fig.3 Single piston pump experiment process and backflushing jet phenomenon

图4为实验过程中排水阀回冲射流变化过程。由图4a可以看出，在20 ms时，阀座锥角左侧处有较明显的回冲射流产生，并伴随着少量气泡，此时，阀芯向右侧偏移；随着柱塞继续向上死点运动，在22 ms时回冲射流现象加剧，在阀座锥角右侧处产生大量气泡，此时，阀芯向左偏移，如图4b所示；在23 ms时， 如图4c所示，阀芯垂直居中， 射流沿阀座锥面射向入口段，形成大量气泡；在25 ms左右，阀芯关闭，回冲射流现象消失，如图4d所示，该过程中阀芯存在多次侧摆及上下振荡现象，由以上过程可知，回冲射流是导致泵容积效率降低的主要原因之一。

图4 排水阀回冲射流发展过程Fig.4 Drainage valve backflushing jet development process

利用高速摄像系统同步跟踪技术，建立直角坐标系，并在阀芯上设置跟踪点，如图5所示，通过跟踪阀芯上点的坐标得到排水阀阀芯垂直位移随时间变化曲线，如图6所示。

图5 高速摄像系统同步跟踪方法Fig.5 Synchronous tracking method for high speed camera system

从图6中得出，阀芯位移s相对于泵腔压力p存在明显的开启与关闭滞后，且阀芯在多次振荡后才完全关闭，当泵腔压力低于出口压力时，排水阀未及时关闭，导致回冲射流产生。

图6 阀芯位移与泵腔压力变化曲线Fig.6 Curves of spool displacement and pump chamber pressure

2 数值计算模型

为了进一步探究排水阀回冲射流特征及其对柱塞泵容积效率损失的影响，采用Fluent软件对流体域进行CFD仿真计算。Fluent的SIMPLE，SIMPLEC，PISO等分离算法可以用来求解离散化的控制方程，其中PISO算法对瞬态计算具有更好的收敛效果，因此，本研究选用PISO算法对控制方程进行求解。

2.1 湍流模型

在Fluent中有k-ε，k-ω，Reyonlds等湍流模型， RNGk-ε模型考虑了湍流涡效应及低雷诺数情况下的流动问题，使得该模型具有更广的适用范围，提高了数值计算的精度及求解过程的稳定性。因此，本研究选用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、浮力产生的湍动能

YM—— 在可压缩流动中的波动膨胀对湍流总耗散率的影响

C1ε,C2ε,C3ε—— 常数项

σk,σε—— 湍动能方程中湍流普朗特数

Sk,Sε—— 源项，由用户自定义

2.2 多相流模型

考虑到气液两相之间的相变关系、空泡发展的瞬时性及气液两相间没有明确的拖拽力关系，本研究选用Mixture多相流模型，主项为水，次相为水蒸气。混合相的连续性方程如式(3)所示：

(3)

(4)

(5)

ρm—— 混合物密度

αk—— 第k相体积分数

混合模型通过对所有相的动量方程进行求和得到混合物的动量方程，如式(6)所示：

(6)

(7)

(8)

式中,n—— 相数

μm—— 混合物黏度

2.3 空化模型

当流体静压低于水的饱和蒸气压时便会发生空化，空化发生时液 - 气传质的运输控制方程如式(9)所示：

(9)

Re,Rc—— 传质源项

ρv—— 气体密度

αv—— 气体体积分数

假设所有气泡都有相同的大小，推广得到的空化模型如式(10)、式(11)：

(10)

(11)

式中,RB—— 气泡半径

αnuc—— 气核体积分数

Fvap—— 蒸发系数

Fcond—— 冷凝系数

pv—— 相变阈值

ρl—— 液体密度

pv=psat+0.5(0.39ρlk)

(12)

式中,psat—— 饱和蒸气压

2.4 数值计算条件

在Fluent19.2中，采用二维轴对称模型及动网格层铺法对排水阀流体域进行仿真计算，为实现层铺法，对流体区域进行分块化网格划分，保证①～④，，为四边形网格，流体域网格划分模型如图7所示。

图7 排水阀网格划分方法Fig.7 Drainage valve mesh division method

仿真相关参数如表2所示，仿真过程中，入口为压力边界条件，其值为泵腔实测压力，阀芯位移为高速相机跟踪位移，两者均通过profile文件给定。

表2 仿真参数Tab.2 Simulation parameters

3 仿真结果分析

3.1 回冲射流现象仿真分析

图8为柱塞从下死点向上死点过渡转换过程中的回冲射流空化云图。由图8a看出，在20.35 ms时，阀口出现较为明显的回冲射流现象，随着柱塞继续向上死点运动，回冲射流现象加剧，并伴随大量气泡；如图8c所示，在22.39 ms时，大量气泡从阀口脱落，随射流向排水阀入口段流动；在24.39 ms时，阀口基本关闭，回冲射流现象逐渐消失，如图8d所示，上述现象与实验观察到的图像十分吻合。

图8 排水阀回冲射流过程气相分布云图Fig.8 Gas phase distribution cloud diagram of backflushing jet process of drainage valve

图9为阀口回冲射流空化云图与流线图，从图中可以看出，回冲射流过程中空化总是初生于剪切作用显著且射流脱离壁面的位置。

图9 阀口回冲射流空化及流线图Fig.9 Valve orifice backflushing jet cavitation and streamline

图10为入口压力与气相体积分数随时间的变化曲线，从图中可以看出，气相体积分数随入口压力的变化呈现波动状态， 气相体积分数峰值和压力峰值出现的时刻基本相同，气相体积分数峰值略滞后于压力峰值，由此可得出随着阀口压差的增加，阀口射流空化加剧。

图10 压力与气体体积分数曲线Fig.10 Pressure and gas volume fraction curve

3.2 回冲射流效率损失分析

图11为排水阀出口流量随时间的变化曲线，为了对仿真结果进行进一步验证，采用MATLAB对出口流量曲线进行数值积分，将积分结果进行时均化处理，得到时均化质量流量并与实验值进行比较，计算方法如式(13)所示：

(13)

式中,Q(t)—— 流量随时间的变化关系

Δt—— 积分区间

(14)

图11 排水阀出口流量特性曲线Fig.11 Discharge valve outlet flow curve

(15)

(16)

由计算结果可知，仿真结果与实验结果的相对误差δ仅为0.91%，说明通过瞬时流量积分的方法计算流量的正确性，下面将通过该方法计算回冲射流流量对容积损失的影响。

图12为排水阀排水期间阀口流量特性曲线，采用瞬时流量积分的方法分析回冲流体体积占比，得出回冲射流现象对单柱塞水压泵容积效率的影响。阀口流量曲线在直线y=0以下部分表示向外排水，在直线y=0 以上部分表示阀口关闭滞后导致的回冲射流。对以上两部分分别进行数值积分即可求得回冲射流对容积效率损失的影响占比。向外排出液体的质量用Qp表示，回冲液体的质量用Qh表示，具体值如下：

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

(17)

(18)

(19)

图12 排水阀阀口(节流口)流量曲线Fig.12 Discharge valve orifice flow curve

从上面的计算得出，排水阀关闭滞后所导致的回冲射流对容积效率的损失影响较大，在0.01 MPa的负载压力下，回冲射流导致的容积损失在5.3%左右。

对图12进行分析得出，排水阀关闭滞后时间约为6 ms，占整个排水时长的30%。假设排水阀在1个周期内向外排出的水的体积为单柱塞泵的理论排量，则根据式(20)可知，排水阀在1个周期内回冲水的体积占比仅与阀口开度、阀口压差和回冲时间有关。由文献[5]可知，排水阀滞后时间随出口负载压力的增加基本为定值，因此，回冲水的体积占比仅与回冲过程中的阀口开度和阀口压差有关：

(20)

式中,Cd—— 流量系数，为常数

A—— 阀口通流面积

Δp—— 阀口压差

ρ—— 密度

为了分析不同出口压力下回冲射流效率损失占比，建立了单柱塞水压泵AMESim模型如图13所示，相关参数与实验模型一致，仿真结果如图14、图15所示。

图13 水压泵AMESim仿真模型Fig.13 AMESim simulation model of piston pump

从图14可以看出，不同出口压力时，排水阀阀芯关闭位移曲线基本重合，表明出口压力对排水阀阀芯关闭过程影响较小，阀芯关闭过程中，阀口通流面积大小和变化规律基本相同。

图14 不同出口压力时排水阀阀芯关闭位移Fig.14 Displacement of drain valve spool closing at different outlet pressures

图15为阀芯关闭过程中排水阀阀口压差变化曲线，可以看出，出口压力对阀芯关闭过程中阀口压差影响不明显，压差变化规律基本相同。

图15 不同出口压力时排水阀阀口压差Fig.15 Drain valve orifice differential pressure at different outlet pressures

通过以上分析可以得出，出口压力对排水阀滞后关闭造成的回冲流量体积影响不大，因此，较高出口压力下，排水阀回冲射流造成的容积效率损失仍为5.3%左右。

4 结论

本研究采用了高速摄像可视化实验和动网格流场仿真相结合的研究方法，实验中保持柱塞泵配流阀阀芯位移与排水阀入口压力数据同步采集，揭示出了柱塞泵排水阀回冲射流特征及其对泵容积效率损失的影响程度。结果表明，该阀配流柱塞泵在1500 r/min转速下，回冲射流时长约为6 ms，占整个排水时长的30%；回冲射流过程中，阀芯存在多次振荡且伴随射流空化；不同出口压力时，回冲射流造成泵的容积效率损失基本相同，约为5.3%。