吳萬榮，丁元根

(中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)式換向閥通過閥芯與閥套之間的回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)閥口的切換，因此又稱轉(zhuǎn)閥，它是液壓激振系統(tǒng)中的重要控制元件，其作用在于能夠?qū)崿F(xiàn)液壓回路中油液的高頻換向。

由于旋轉(zhuǎn)式換向閥內(nèi)流道較復(fù)雜，導(dǎo)致?lián)Q向時，其油液極易在閥內(nèi)形成漩渦、空化等現(xiàn)象；同時由于空化的周期性脫落、潰滅，會導(dǎo)致閥芯侵蝕、壓力脈動以及噪聲等現(xiàn)象出現(xiàn)，從而影響到液壓激振系統(tǒng)的工作性能。因此，研究旋轉(zhuǎn)式換向閥內(nèi)部的流動特性，對于液壓激振系統(tǒng)技術(shù)的提高具有現(xiàn)實意義。

目前，隨著計算流體力學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究空化現(xiàn)象的重要手段，并且國內(nèi)外學(xué)者對于空化現(xiàn)象也開展了大量的研究，并取得了不少成果[1-3]。

張健[4]針對錐型節(jié)流閥的空化問題，利用ASINA軟件對節(jié)流閥閥口進行了仿真和試驗驗證，得出了不同閥芯結(jié)構(gòu)下節(jié)流閥的壓力特性，為液壓閥的設(shè)計和噪聲控制提供了理論依據(jù)；王松林等[5]對離心泵內(nèi)部的非定?？栈鲃舆M行了仿真分析，探究了空化對于葉輪、葉片以及蝸殼壓力脈動的影響，通過對比分析離心泵在空化和非空化條件下的壓力脈動特性，得出了空化流動時壓力脈動的最大幅值大于非空化的結(jié)論；李樹勛[6]針對超臨界高溫高壓蒸汽疏水閥進行了數(shù)值模擬，預(yù)測了疏水閥內(nèi)部空化流動的發(fā)生和發(fā)展情況，并研究了不同開度、不同壓力以及不同密封角度對內(nèi)部空化流動的影響；劉秀梅[7]對節(jié)流閥內(nèi)部非定常空化流動進行了數(shù)值計算，分析了節(jié)流閥內(nèi)部形態(tài)的周期性變化過程及其對應(yīng)的內(nèi)部流場的壓力脈動特性；LIANG J[8]對滾珠止回閥進行了數(shù)值分析和實驗驗證，對空化和非空化下的流量系數(shù)以及液動力進行了對比分析，驗證了空化現(xiàn)象的準(zhǔn)確性；HAN M[9]采用多相流模型對大流量比例插裝閥空化作用下的液動力進行了分析，并將仿真結(jié)果與實驗對比，得出了二級節(jié)流閥可以有效地抑制空化現(xiàn)象發(fā)生的結(jié)論；AUNG N Z[10]采用大渦模擬和多相流模型對不同入口壓力下的噴嘴擋板伺服閥前置級瞬態(tài)流場進行了研究，對其空化區(qū)域分布和形態(tài)變化規(guī)律進行了分析，并提出了一種有效的擋板形狀，有效減小了空化現(xiàn)象的發(fā)生；朱鈺[11]采用CFD方法對新型換向閥進行了仿真，得到了不同閥口形式下的流量系數(shù)和液動力。

上述文獻大多都是對泵或者其他類型閥所進行的研究，并且大多都是穩(wěn)態(tài)下的研究，而對于轉(zhuǎn)閥的研究并不多見；但其方法和結(jié)果卻也可為轉(zhuǎn)閥的研究提供參考。

以轉(zhuǎn)閥為研究對象，筆者采用數(shù)值模擬的方法對不同工況下轉(zhuǎn)閥非定常流動特性進行分析，研究轉(zhuǎn)閥內(nèi)部空化區(qū)域的分布規(guī)律，為轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 工作原理

轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)1-閥體;2-閥套;3-閥芯;4-伺服電機

由圖1可知，轉(zhuǎn)閥主要由閥芯、閥套、閥體、伺服電機等組成。閥芯上分布有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個臺肩，閥芯臺肩Ⅰ和臺肩Ⅲ上的溝槽布置相同，閥芯臺肩Ⅱ和臺肩Ⅳ上的溝槽布置也相同。

閥芯和閥套的配合關(guān)系如圖2所示。

圖2 閥芯和閥套配合關(guān)系

圖2中，閥芯臺肩上分布有10個溝槽，在閥套上也有相同數(shù)量的窗口，閥芯臺肩上相鄰溝槽之間的中心角β為36°，臺肩上溝槽所對應(yīng)的圓心角α為β/4，相鄰臺肩Ⅰ和Ⅱ上的溝槽相互錯位分布，錯位角度為β/2，閥套上對應(yīng)的窗口不錯位。隨著伺服電機驅(qū)動閥芯做旋轉(zhuǎn)運動，閥芯臺肩上的矩形溝槽與閥套上的窗口重疊形成節(jié)流閥口，且節(jié)流閥口的面積隨閥芯的旋轉(zhuǎn)成周期性變化，呈現(xiàn)出由小變大，再由大變小的趨勢。

其中，閥口打開過程如圖2(a)所示。當(dāng)閥芯的旋轉(zhuǎn)角度為0到β/2之間時，閥芯做逆時針旋轉(zhuǎn)運動時，閥口開度先由小變大，再由大變小，該過程中閥芯臺肩Ⅰ和Ⅲ的溝槽與閥套上的窗口打開；閥口關(guān)閉過程如圖2(b)所示。旋轉(zhuǎn)角度為β/2到β之間時，臺肩Ⅰ和Ⅲ上的溝槽與閥套上的窗口關(guān)閉，而對應(yīng)的臺肩Ⅱ和Ⅳ上溝槽與閥套上的窗口打開，隨著閥芯的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，閥口的開閉會呈現(xiàn)出周期性的變化，以實現(xiàn)液流高頻切換。

2 計算模型和控制方程

2.1 計算模型及邊界條件

轉(zhuǎn)閥的仿真模型如圖3所示。

圖3 閥口仿真模型

轉(zhuǎn)閥的幾何模型如圖3(a)所示，由于轉(zhuǎn)閥閥芯溝槽在周向?qū)ΨQ，均勻分布，只需選取一對閥套窗口和閥芯溝槽進行分析。

轉(zhuǎn)閥的網(wǎng)格模型如圖3(b)所示，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，其模型的節(jié)點數(shù)為41 250，網(wǎng)格單元數(shù)為36 888。

筆者采用Mixture模型對轉(zhuǎn)閥內(nèi)部進行仿真。假定液相不可壓縮，液體為液壓油，其密度為850 kg/m3，粘度為0.035 N·s·m-2；氣相為油液蒸汽，其密度為1.2 kg/m3，粘度為1.2×10-5N·s·m-2；飽和蒸汽壓為400 Pa。

筆者采用壓力入口邊界條件，大小為5 MPa，出口設(shè)置壓力出口，大小為0.5 MPa，設(shè)置閥芯轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。采用基于壓力的求解器；數(shù)值計算方法采用SIMPLEC算法；壓力、力矩、體積百分數(shù)以及湍動能均采用一階迎風(fēng)格式。

為了減小網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響，筆者針對網(wǎng)格進行獨立性檢驗。當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)目分別為13 718、17 808、36 888、47 928、118 638時，最大氣體體積分數(shù)分別為0.863 4、0.907 04、0.922 4、0.936 2、0.924 6?？芍?，當(dāng)網(wǎng)格到達一定數(shù)目時，計算結(jié)果誤差波動較小。同時，為了保證計算效率，筆者最終選取網(wǎng)格數(shù)目為36 888。

2.2 控制方程和模型

(1)混合模型的連續(xù)性方程：

(1)

(2)混合模型的動量方程：

(2)

式中：μm—混合粘性。

(3)氣泡體積運輸方程：

(3)

式中：αv—氣相體積分數(shù)；ρv—氣相密度；Re—空泡生成率；Rc—空泡凝結(jié)率。

(4)空化模型。

由于氣穴空泡在低溫下形成液體，在此過程中認為是等溫的，即可以忽略蒸發(fā)散熱。

Rayleigh-Plesset方程與壓力和氣泡容積相關(guān)，可表達為：

(4)

式中：R—氣泡半徑；PB—氣泡內(nèi)的壓力；σ—表面張力系數(shù)；μl—液相介質(zhì)粘性.

為簡便計算，氣泡成長和破裂的過程可表達如下：

(1)當(dāng)pv>p時：

(5)

(2)當(dāng)pv≤p時：

(6)

湍流模型選用RNGκ-ε模型。該模型在湍流耗散率中增加了一個R項，考慮了湍流的各向異性，因而在空化數(shù)值計算中有著較好的表現(xiàn)[12-14]。

空化模型選用的是Schnerr-Sauer模型，該模型沒有引入任何的經(jīng)驗系數(shù)，因而被廣泛地應(yīng)用于各種空化流的數(shù)值預(yù)測中[15-16]。

3 仿真分析

3.1 速度場分析

筆者通過采用滑移網(wǎng)格模型來模擬閥芯的運動，從而得到閥芯運動過程中不同開度下閥口的空化流動特性。

在不同開度下，轉(zhuǎn)閥的速度分布云圖如圖4所示。

圖4 不同開度下的流速分布云圖

圖4中，θ為閥芯旋轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)θ為0°～9°時，為閥口打開的過程；當(dāng)θ為9°～18°時，為閥口關(guān)閉的過程。

從圖4中可以看出：由于過流面積的劇變，閥芯溝槽靠近節(jié)流口處存在高速射流區(qū)域，流速較大的區(qū)域主要分布在節(jié)流口附近，流速較小的區(qū)域主要分布在閥套窗口。

閥口打開時，隨著開口度的增大，流速較大的區(qū)域逐漸增大；閥口關(guān)閉時，隨開口度的減小，流速較大的區(qū)域逐漸減小。觀察流線可以看出，閥芯溝槽極易產(chǎn)生漩渦，并且開度的變化會影響漩渦的大小。閥口打開時，閥芯溝槽只有一個漩渦，在閥芯溝槽的右側(cè)，后隨著開度的增大而減小，而閥芯溝槽左側(cè)的漩渦隨開度的增大而增大；

閥口關(guān)閉過程中，閥芯溝槽左右兩側(cè)仍然有兩個漩渦，并隨開度的減小而增大。同時，隨著閥口開度的減小，閥套窗口的右下角也形成一個漩渦，并隨著開度的減小而不斷增大。

3.2 壓力場分析

閥口在不同開度下的壓力分布如圖5所示。

圖5 不同開度下的壓力云圖

從圖5可以看出：壓力較大的區(qū)域主要集中在閥套窗口，壓力較小的區(qū)域主要集中在閥芯溝槽，壓降主要集中在節(jié)流口處。

當(dāng)閥口打開時，隨著閥口開度的增大，壓降區(qū)由節(jié)流口逐漸向閥套窗口遷移，壓力較大的區(qū)域面積也逐漸減小，靠近節(jié)流口處的低壓區(qū)的面積也逐漸減?。划?dāng)閥口關(guān)閉時，隨著閥口開度的減小，壓降區(qū)逐漸向節(jié)流口處遷移，壓力較大區(qū)域的面積也不斷擴大。同時，閥芯溝槽的低壓區(qū)面積不斷擴大，并隨著閥口開度的減小向節(jié)流口處移動。

3.3 空化區(qū)域分布

閥口在不同開度下的氣相分布云圖如圖6所示。

圖6 不同開度下的氣相分布云圖

從圖6可以看出：閥口剛打開時，閥芯溝槽發(fā)生了空化現(xiàn)象，其主要分布于閥套窗口和閥芯溝槽相連的節(jié)流口附近；閥口打開時，當(dāng)閥口開度為1°時，空化區(qū)域較大，隨著閥口開度的繼續(xù)增大，空化區(qū)域逐漸減小直至空化消失；閥口關(guān)閉過程中，隨著閥芯轉(zhuǎn)動，閥口開度逐漸減小，空化繼續(xù)出現(xiàn)，但空化區(qū)域分布位置有所改變，主要集中在閥芯溝槽逆出口方向的壁面上。并且隨著開度的減小，空化區(qū)域不斷增大。

3.4 不同工況下的空化區(qū)域分布

為了研究不同工況下空化現(xiàn)象的變化規(guī)律，分別在不同入口壓力(3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa)，不同背壓(0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa)，不同閥芯轉(zhuǎn)速(750 r/min、1 500 r/min、3 000 r/min、4 500 r/min)的情況下，筆者對閥口進行仿真分析。

由于氣體體積分數(shù)比可作為空化程度以及空化區(qū)域的衡量標(biāo)準(zhǔn)，可通過對不同工況下最大氣體體積分數(shù)進行研究，來進一步揭示不同參數(shù)下，最大氣體體積分數(shù)的變化規(guī)律。

3.4.1 入口壓力對空化區(qū)域的影響

以背壓為0.5 MPa，閥芯轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，開口度為1°時的閥口為研究對象，其最大氣體體積分數(shù)隨入口壓力的變化曲線如圖7所示。

圖7 不同入口壓力下的最大氣體體積分數(shù)

從圖7可以看出：入口壓力對最大氣體體積分數(shù)有影響，同一開度下，隨著入口壓力的增大，最大氣體體積分數(shù)越大；并且，最大氣體體積分數(shù)隨著閥芯的轉(zhuǎn)動，都呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢。

3.4.2 背壓對空化區(qū)域的影響

以入口壓力為5 MPa，閥芯轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，開度為1°時的閥口為研究對象，其最大氣體體積分數(shù)與背壓的變化曲線如圖8所示。

圖8 不同背壓下的最大氣體體積分數(shù)

從圖8可以看出：隨著背壓的增大，空化區(qū)域明顯減小，空化強度明顯減小，這是因為隨著背壓的增大，閥口的壓差減小，閥口的流速減小，導(dǎo)致閥口壓降減?。槐硥簩ψ畲髿怏w體積分數(shù)也有影響，同一開度下，背壓越大，最大氣體體積分數(shù)就越小。

3.4.3 閥芯轉(zhuǎn)速對空化區(qū)域的影響

以入口壓力為5 MPa，背壓為0.5 MPa，開度為1°時的閥口為研究對象，其最大氣體體積分數(shù)與閥芯轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖9所示。

圖9 不同閥芯轉(zhuǎn)速下的最大氣體體積分數(shù)

從圖9可以看出：閥芯轉(zhuǎn)速對空化的分布有影響，隨著閥芯轉(zhuǎn)速的增大，空化區(qū)域越大，空化強度明顯增大；閥芯轉(zhuǎn)速對最大氣體體積分數(shù)也有影響，同一開度下，閥芯轉(zhuǎn)速越高，最大氣體體積分數(shù)越大。

4 結(jié)束語

借助Fluent軟件，筆者將Mixture氣穴模型和RNG模型相結(jié)合，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬了轉(zhuǎn)閥的非定?？栈鲃?，分析了空化隨閥口開度變化的分布規(guī)律，并研究了入口壓力、背壓以及閥芯轉(zhuǎn)速對空化區(qū)域分布及最大氣體體積分數(shù)的影響。

研究結(jié)論如下：

(1)流體通過轉(zhuǎn)閥閥口時，閥芯溝槽極易產(chǎn)生漩渦。閥口打開過程中，溝槽左側(cè)的漩渦逐漸增大，溝槽右側(cè)的漩渦逐漸減??；閥口關(guān)閉時，溝槽兩側(cè)的漩渦逐漸增大；

(2)閥口開度的變化會影響空化區(qū)域的大小，閥口打開時，空化區(qū)域的大小隨開度的增大而減小，閥口關(guān)閉時，空化區(qū)域逐漸向溝槽逆出口方向的壁面遷移，并隨開度的減小，空化區(qū)域的大小逐漸增大；

(3)空化區(qū)域隨入口壓力、閥芯轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨背壓的增大而減?。蛔畲髿怏w體積分數(shù)隨入口壓力、閥芯轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨背壓的增大而減小。

該研究結(jié)果對閥芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考意義。