摘要:利用Fluent軟件對流經(jīng)先導(dǎo)閥閥芯的流場進行了模擬，通過仿真發(fā)現(xiàn)在節(jié)流口產(chǎn)生氣穴，減小閥芯直徑或改變密封鋼球的直徑都可以使空化系數(shù)增大，發(fā)生氣穴的可能性降低，但改變密封鋼球的直徑不會增大負壓區(qū)的面積。

關(guān)鍵詞:先導(dǎo)閥;流場;數(shù)值模擬;空化

中圖分類號:O351.2 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-8136(2009)33-0014-03

1 引言

高水基先導(dǎo)閥主要用于液壓支架中，作為液壓系統(tǒng)的重要部分，其面臨的任務(wù)是高壓化、集成化、小型化、節(jié)能化，并要求適用于高水基工作介質(zhì)。同時，先導(dǎo)閥串聯(lián)于整個液壓系統(tǒng)中，故其可靠性對整個液壓系統(tǒng)的可靠性有重大的影響。本文研究的球密封電磁先導(dǎo)閥，由于采用球面密封，具有動作靈敏、反應(yīng)快等優(yōu)點。但球面密封一般用于尺寸小、流量小的場合，容易造成節(jié)流口堵塞，對液體的要求比較高，流體流過復(fù)雜流道時常常會產(chǎn)生回流、旋渦、脫壁和重新附壁等現(xiàn)象。針對這一問題，可以借助計算機來代替實驗，對閥內(nèi)流場的流動進行數(shù)值模擬，大大縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計費用;同時可以得到流場內(nèi)各個位置上的壓力、速度、溫度等量的分布，找到容易出現(xiàn)旋渦、回流等現(xiàn)象的區(qū)域，對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2建立幾何模型

2.1模擬對象

本文以用于液壓支架中的、球密封的電磁先導(dǎo)閥為例。該先導(dǎo)閥采用球面密封，有兩密封鋼球如圖1所示。當(dāng)電磁鐵得電時，工作口和進液相連，高壓油進入工作腔。電磁鐵失電時，工作口和回液口相連。

2.2建立先導(dǎo)閥的幾何模型

對先導(dǎo)閥閥道內(nèi)的紊流流動進行數(shù)值模擬，必須建立在適當(dāng)?shù)膸缀文Ｐ秃陀嬎銛?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，模型的確定對以后的計算工作有著決定性的意義。模型的建立需遵循2個原則:模型的物理真實性和數(shù)學(xué)計算的可行性。物理的真實性要求所建立的幾何模型盡量反映計算對象的本質(zhì)，以便對實際的應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。計算的可行性是指模型必須簡化至目前數(shù)學(xué)工具能解決的程度和計算水平能達到的能力。根據(jù)以上原則，建立的電磁先導(dǎo)閥的幾何模型如圖2所示。

2.3生成網(wǎng)格

把二維模型導(dǎo)入gambit里進行網(wǎng)格的劃分，為了獲得較高的模擬精度，使網(wǎng)格劃分的密度較大，采用四邊形，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

3仿真過程及結(jié)果分析

3.1邊界條件及計算條件

模擬采用單相紊流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)紊流模型方程封閉雷諾時均Navier—Stokes方程。

模擬流體為液態(tài)水，水為粘性牛頓流體，假設(shè)水為不可壓縮流體。不考慮水重力的影響，計算在閥道內(nèi)部無熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

進出口邊界條件為入口壓力和出口壓力，入口壓力為20 MPa為定值，出口壓力為2 MPa。

3.2仿真過程

3.2.1單相模擬

開口度為0.4 mm，入口壓力為20 MPa，壓差為18 MPa，壓力分布圖如圖4。

由物理學(xué)相關(guān)知識可知，水的壓強越低，越容易汽化。正常大氣壓下，水在100 ℃時開始沸騰，轉(zhuǎn)化為蒸汽即汽化。而高原上氣壓較低，水不到100 ℃就開始沸騰汽化。

當(dāng)水流中的局部絕對壓強降低到水流當(dāng)時溫度的汽化壓強時，水本身開始汽化，使得原來溶于水中的空氣重新逸出，并膨脹形成小氣泡，氣泡內(nèi)充滿著蒸汽與游離氣體。這種由于壓強降低，而使水流產(chǎn)生汽化，并在水流中形成許多氣泡的現(xiàn)象，叫做空穴或氣穴現(xiàn)象。當(dāng)水的絕對壓強降低到水溫的汽化壓強時就開始產(chǎn)生氣穴。那么，只要控制水流的絕對壓強大于該時水溫的汽化壓強時，氣穴將不再產(chǎn)生或者不能大量產(chǎn)生。因此，可以采用下面無量綱數(shù)來表示水流發(fā)生的可能性，稱為氣穴指數(shù)或氣穴系數(shù)、空化數(shù)，用σ表示，定義為:

式中，ρ:高水基介質(zhì)的密度，kg/m3;

P:絕對壓強，Pa;

PVP:汽化壓強，Pa;

v2:流體在該時刻的速度，m/s。

氣穴指數(shù)σ越小，發(fā)生氣穴的可能性就越大。當(dāng)開口度為0.4 mm，壓差為18 MPa時，節(jié)流口處出現(xiàn)最小壓強p=-1.79 MPa，水的汽化壓強取7 400 Pa，此時經(jīng)過節(jié)流口的速度為162 m/s。把以上數(shù)值代入(1)式，得出:

=-0.137

此時空化系數(shù)的值很小，為一負值，需要對流體進行空化模擬。

3.2.2空化模擬

由于本文研究的先導(dǎo)閥節(jié)流口的尺寸很小，節(jié)流口的面積是入口段和出口段面積的幾百分之一，所以當(dāng)開口度和壓差都很小的情況下，壓力損失主要分布在節(jié)流口處，其它地方?jīng)]有壓力損失。為節(jié)省計算時間，現(xiàn)對模型進行簡化，進入口的長度對仿真結(jié)果影響很小，適當(dāng)縮短進口和入口段的長度，模型可近似為一對稱結(jié)構(gòu)，只取一半進行仿真。簡化后的模型如圖5。

圖5簡化后的二維流場模型

開口度為0.4 mm，壓差為18 MPa，采用空化模型進行仿真，其他邊界條件不變，仿真結(jié)果如圖6、圖7。

在其他仿真條件不變的情況下，采用空化模型，最低壓強由-1.79 MPa升高到0.192 MPa。入口段和出口段有少量的水發(fā)生了汽化現(xiàn)象，但汽化的比例很小，入口段汽化水的體積分數(shù)幾乎為0，出口段汽化水的體積分數(shù)為0.0248;汽化主要集中在節(jié)流口處，在節(jié)流口處，汽化水的體積分數(shù)最大，為0.495。

在發(fā)生氣穴的水流中，氣穴的不斷發(fā)生與不斷潰滅的速率是很高的。在氣泡潰滅時，盡管時間很短，如只有數(shù)百分之一秒，但產(chǎn)生的沖擊力很大，氣泡潰滅處的局部壓強高達數(shù)個甚至數(shù)十兆帕，局部溫度也急劇上升。大量氣泡的連續(xù)潰滅使得氣穴潰滅的區(qū)域不斷產(chǎn)生壓強的急劇增減，如果潰滅區(qū)域剛好在管道的附近，就像錘擊打擊管道的壁面一樣，輕則產(chǎn)生壁面麻點，重則導(dǎo)致壁面的剝蝕甚至產(chǎn)生空洞。同時還能引起管道的振動。另外，由于氣穴的產(chǎn)生與發(fā)展，使水流內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，會大大降低通過管道的流量，降低工作效率。所以要降低或防止氣穴的發(fā)生是閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮的重要問題。

3.2.3減小氣穴的措施

削弱氣穴對閥的影響，氣穴產(chǎn)生的根本條件是流道的壓強低于汽化壓強，下面從提高流道內(nèi)的最低壓強入手，來削弱氣穴的影響。

(1)保持邊界條件不變，增大節(jié)流口的面積，壓力分布圖如圖8。

改進后的模型在節(jié)流口處的最低壓強為-14 500 Pa，根據(jù)

公式(1)計算出該空化系數(shù):

= =-0.013

與原模型的空化系數(shù) 0.137相比空化系數(shù)增大，發(fā)生氣穴的可能性降低。

(2)邊界條件不變，改變密封鋼球的大小。壓力分布如圖9。

最低壓強的值為513 000 Pa，求出空化系數(shù)。

= = 0.098

選擇合適的密封鋼球的大小，可以使空化系數(shù)增大，降低產(chǎn)生氣穴的可能性，所以產(chǎn)生氣蝕的可能性也會降低。

4結(jié)論

(1)開口度為0.4 mm，入口壓力為20 MPa，壓差為18 MPa時，節(jié)流口處的最低壓強為負值，可能會產(chǎn)生氣穴，采用空化模型進行模擬。

(2)采用空化模型，節(jié)流口處的最低壓強增大，并得到了汽化水的分布情況，出口和入口段汽化水的體積分數(shù)很小，幾乎為0，氣穴集中在節(jié)流口處，最大值為0.495，氣穴對閥的沖擊很大，有必要對流道進行修改。

(3)要減小氣穴，邊界條件不發(fā)生變化，只從改變幾何模型入手，即增大節(jié)流口處的面積，減小閥芯直徑或者選擇合適的密封鋼球的直徑，都可以使得節(jié)流口處的最低壓強升高，空化系數(shù)增大，降低發(fā)生氣穴的可能性。但是，減小閥芯直徑，會增大負壓區(qū)的面積，所以，為有效防止氣穴的產(chǎn)生，選擇合適的密封鋼球的直徑比減小閥芯的直徑要好。這些觀點為實際的設(shè)計提供一些參考依據(jù)。