鄭文婧,張東東,練 敏

(蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

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純水液壓錐閥中二級(jí)節(jié)流的抗氣蝕性能研究

鄭文婧,張東東,練 敏

(蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

為了研究二級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)在水壓錐閥中的抗氣蝕特性,首先從理論上進(jìn)行分析,然后通過(guò)CFD軟件,對(duì)不同錐角二級(jí)節(jié)流錐閥的三維流道進(jìn)行氣穴流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)仿真計(jì)算,得到相應(yīng)的壓力分布云圖和氣體體積百分比分布。分析壓力分布對(duì)氣體體積數(shù)的影響,并將結(jié)果與一級(jí)節(jié)流進(jìn)行對(duì)比分析,采用二級(jí)節(jié)流使得節(jié)流口進(jìn)出口壓降減小,經(jīng)過(guò)閥口的最低壓力升高,氣體體積百分?jǐn)?shù)明顯降低;在開(kāi)度為0.4mm、閥芯半錐角為30°時(shí),沒(méi)有產(chǎn)生氣泡,直接抑制氣蝕的產(chǎn)生。因此,二級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)能夠有效地減輕水壓錐閥的氣蝕現(xiàn)象。

水壓錐閥;二級(jí)節(jié)流;氣蝕;兩相流;CFD

水壓傳動(dòng)技術(shù)直接以海水或淡水作為工作介質(zhì),是21世紀(jì)的一個(gè)新型綠色傳動(dòng)技術(shù)。隨著液壓技術(shù)向高速、高壓、大功率方向發(fā)展,特別是純水液壓方向的發(fā)展,氣蝕現(xiàn)象已經(jīng)成為影響該技術(shù)進(jìn)步的主要原因之一[1]。氣蝕的產(chǎn)生會(huì)使液壓閥的特性變壞,使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲,降低元件的使用壽命[2]。

二級(jí)節(jié)流由兩個(gè)串接在一起的節(jié)流口組成,是防止和減輕水壓閥中氣蝕的一種有效結(jié)構(gòu)形式[3]。目前,國(guó)內(nèi)外很多人對(duì)二級(jí)節(jié)流的氣蝕特性做了大量的研究。文獻(xiàn)[4]中實(shí)驗(yàn)研究了中高壓時(shí)兩級(jí)錐閥式節(jié)流閥口在水壓系統(tǒng)中的性能。文獻(xiàn)[5]中研制了先導(dǎo)式溢流閥的主閥采用二級(jí)節(jié)流形式,抑制氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。劉銀水等[6]從理論和實(shí)驗(yàn)方面分析了水壓閥中二級(jí)節(jié)流的抗氣蝕性能。但是對(duì)二級(jí)節(jié)流從流場(chǎng)的可視化出發(fā),采用氣液兩相流分析方法,分析壓力場(chǎng)對(duì)氣蝕性能影響的研究較少。

研究先從理論上分析二級(jí)節(jié)流的抗氣蝕性能,然后針對(duì)不同結(jié)構(gòu)二級(jí)節(jié)流的三維流道,通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD,computationalfluiddynamics)軟件,采用氣液兩相流技術(shù),對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)做了可視化的研究,并分析了壓力場(chǎng)對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)的影響。充分說(shuō)明了二級(jí)節(jié)流是有效的抗氣蝕結(jié)構(gòu),為以后水壓錐閥的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 二級(jí)節(jié)流的氣蝕特性分析

圖1為一種二級(jí)節(jié)流的錐閥閥口結(jié)構(gòu)。設(shè)進(jìn)口壓力、兩節(jié)流口之間的壓力及出口壓力分別為p1、p2、p3。

圖1 二級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)Fig.1 Secondary throttle structure

水的氣化壓力是油液的千萬(wàn)倍,當(dāng)閥口處的壓力低于水的空氣分離壓時(shí),溶解或混于水中的空氣就會(huì)分離,產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。當(dāng)含有大量氣泡的液體隨著高壓流入閥體回流腔時(shí),氣泡潰滅,從而發(fā)生氣蝕,并伴隨有振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生[7]。目前,液壓傳動(dòng)中以氣蝕指數(shù)σ來(lái)衡量氣蝕發(fā)生的大小,σ的值越大,發(fā)生氣蝕的可能性越大。二級(jí)節(jié)流的第一、第二節(jié)流口的氣蝕指數(shù)分別為

(1)

(2)

一級(jí)節(jié)流口的氣蝕指數(shù)為

(3)

其中:pV為水的氣化壓力,50 ℃時(shí),pV=1.2×105Pa。因?yàn)閜1≥p2≥p3,所以,σ1≤σ0,σ2≤σ0,即二級(jí)節(jié)流的兩個(gè)節(jié)流口的氣蝕指數(shù)均小于一級(jí)節(jié)流,因此二級(jí)節(jié)流能夠減小氣蝕發(fā)生的可能性。

2 CFD計(jì)算模型

2.1 流體基本方程

流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遵守物理守恒定律。當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)為湍流時(shí),CFD根據(jù)流體基本方程以及附加湍流輸運(yùn)方程,對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。對(duì)應(yīng)的流體控制方程如下:

(1)質(zhì)量守恒方程為

(4)

其中:ρ為流體密度;ui為i方向速度。

(2)動(dòng)量守恒方程為

(5)

其中:uj為j方向速度;p為靜壓;τij為應(yīng)力張量;ρgi為重力體積力;Fi為外部體積力。

(3)能量守恒方程為[8]

(6)

其中:keff為有效導(dǎo)熱系數(shù);Jj′為組分j′的擴(kuò)散通量;Sh為包括化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源的源項(xiàng);hj′為組分j′的焓。式(6)右邊三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)、粘性耗散項(xiàng)。

2.2 錐閥的結(jié)構(gòu)及流道網(wǎng)格模型

不同錐閥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。閥口網(wǎng)格劃分模型見(jiàn)圖3。

圖2 不同錐閥結(jié)構(gòu)Fig.2 Different cone valve structure

圖3 閥口網(wǎng)格劃分模型Fig.3 Valve port dividing model

2.3 計(jì)算條件

由于對(duì)錐閥進(jìn)行的是靜態(tài)分析,因此在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,可以對(duì)模型作如下假設(shè)[9,10]:由于氣穴是低壓情況下水氣分離的現(xiàn)象,因此選擇多相流模型中的混合模型,指定液態(tài)水為基本相,水蒸氣為第二相。同時(shí),設(shè)置氣穴模型,質(zhì)量轉(zhuǎn)換是從基本相到第二相,即由水變?yōu)闅?保持氣化壓力為3 540Pa。流體的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 流體材料屬性

流體的進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口,軸向平均速度為5.0m/s,其余方向速度均為0,進(jìn)口處液相體積分?jǐn)?shù)為1,氣相的體積分?jǐn)?shù)為0;出口邊界條件為壓力出口,絕對(duì)壓力為1.0×105Pa。整個(gè)數(shù)值模擬的操作環(huán)境為大氣壓101 325Pa。流體與壁面的接觸為靜止壁面,絕熱,無(wú)滑移,采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)計(jì)算。

3 仿真結(jié)果和分析

對(duì)于二級(jí)節(jié)流,由于流體通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的節(jié)流口共同分擔(dān)閥口兩端的壓差,使每一個(gè)節(jié)流口兩端的壓差均減小,節(jié)流口的流速下降。對(duì)半錐角分別為30°、45°、60°,開(kāi)度為0.3mm和0.4mm的不同模型進(jìn)行仿真模擬,得出主要影響氣蝕產(chǎn)生的壓力分布圖,分析氣體體積含量與壓力的關(guān)系。圖4為二級(jí)節(jié)流錐閥在不同錐角、不同開(kāi)度時(shí)的閥口處壓力分布。

由靜壓分布圖4可知,流體經(jīng)過(guò)第一個(gè)節(jié)流口時(shí),在中間區(qū)域產(chǎn)生較大的壓降,甚至達(dá)到負(fù)壓,達(dá)到水的汽化壓力,使溶解于水中的氣泡析出,產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。在經(jīng)過(guò)第二個(gè)節(jié)流口時(shí),氣泡隨著高壓進(jìn)入閥的下腔。由此推測(cè),在錐閥錐面與柱面過(guò)渡處,由于壓力回升,氣泡將會(huì)破裂,對(duì)閥芯的金屬表面形成損害,輕微時(shí)產(chǎn)生許多小麻點(diǎn)或者許多蜂窩狀的小孔,即產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,同時(shí)伴隨有劇烈的振動(dòng)以及噪聲。長(zhǎng)時(shí)間氣蝕的反復(fù)破壞,最終會(huì)導(dǎo)致閥芯斷裂,減少閥的使用壽命。同時(shí),從壓力云圖還可以得出,半錐角為30°時(shí)所產(chǎn)生的最低壓力以及負(fù)壓面積明顯小于半錐角為45°和60°時(shí)的情況,說(shuō)明其產(chǎn)生氣蝕的程度將會(huì)減小。因此,在設(shè)計(jì)二級(jí)節(jié)流的錐閥時(shí),要適當(dāng)?shù)臏p小錐角,提高錐閥的性能。而且在錐角相同的情況下,開(kāi)度為0.3mm時(shí)的負(fù)壓程度大于開(kāi)度為0.4mm時(shí)的負(fù)壓程度,負(fù)壓面積也較大。

現(xiàn)將以上6種模型的一級(jí)節(jié)流情況進(jìn)行仿真分析,得出其閥口處的負(fù)壓以及氣泡含量,并計(jì)算出氣穴指數(shù),與二級(jí)節(jié)流作比較,得到表2。

圖4 閥口處壓力分布Fig.4 Pressure distribution in valve port

表2 一級(jí)節(jié)流與二級(jí)節(jié)流的仿真結(jié)果比較

從閥口處的最低壓力可以看出,二級(jí)節(jié)流明顯高于一級(jí)節(jié)流,而且在半錐角為30°,開(kāi)度為0.4mm時(shí),二級(jí)節(jié)流沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)壓,且最低壓力高于水的汽化壓力,這表明二級(jí)節(jié)流完全抑制了氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。從氣泡含量來(lái)看,隨著開(kāi)度增加,兩種節(jié)流口形式的氣泡含量都有所降低,而且在二級(jí)節(jié)流情況下,氣泡的含量明顯減小。同時(shí),氣穴指數(shù)也隨之減小,表明氣蝕程度降低。通過(guò)對(duì)比分析,充分說(shuō)明二級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)有利于減小氣蝕現(xiàn)象,提高水壓閥的抗氣蝕性能。

4 結(jié)論

(1)理論上,二級(jí)節(jié)流的兩個(gè)節(jié)流口的氣蝕指數(shù)均小于一級(jí)節(jié)流,因此二級(jí)節(jié)流能夠減小氣蝕發(fā)生的可能性。二級(jí)節(jié)流中,30°的半錐角比45°和60°的半錐角的抗氣蝕性能要好。因此,在錐閥設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)合理的錐角,以提高閥的性能。

(2)二級(jí)節(jié)流與一級(jí)節(jié)流相比較,閥口的進(jìn)出口壓降減小。相同錐角情況下,開(kāi)度的增加使得氣泡含量相對(duì)減少。而且二級(jí)節(jié)流與一級(jí)節(jié)流相比,在相同情況下,二級(jí)節(jié)流所產(chǎn)生的氣泡含量明顯降低,在開(kāi)度為0.4mm、閥芯半錐角為30°時(shí),甚至可以完全抑制氣泡的產(chǎn)生,即有效地避免了氣蝕現(xiàn)象。這充分說(shuō)明,二級(jí)節(jié)流是防止氣蝕發(fā)生的有效辦法。

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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.[鄭文婧,張東東,練敏.純水液壓錐閥中二級(jí)節(jié)流的抗氣蝕性能研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(6):98-101.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.020.

2015-07-28;

2015-08-26.

鄭文婧(1990-)，女，甘肅定西人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代液壓元件及液壓傳動(dòng)與控制.E-mail:15117146233@163.com.

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