程 寬 趙永華

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，嘉興 314036）

液壓閥是液壓系統(tǒng)中用來控制液流的壓強(qiáng)、流量和流動(dòng)方向的控制元件。二維閥將先導(dǎo)級(jí)和功率級(jí)集成在一個(gè)閥芯的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度上。先導(dǎo)級(jí)的旋轉(zhuǎn)滑閥開口具有很高的壓強(qiáng)增益，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器只需輸出很小的角位移就能引起壓強(qiáng)的急劇變化，易于實(shí)現(xiàn)閥的快速工作和高頻響應(yīng)。二維閥具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性理想、抗污染能力強(qiáng)、泄漏流量小以及功重比大等優(yōu)點(diǎn)。二維閥閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)使得閥的節(jié)流口頻繁啟閉，導(dǎo)致通過節(jié)流口的液體壓強(qiáng)驟降。當(dāng)液體局部壓強(qiáng)低于其飽和蒸氣壓時(shí)，液體中原有的“氣核”成長(zhǎng)為氣泡，而氣泡在高壓處潰滅，就會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象[1]?？栈F(xiàn)象是引起二維閥壓強(qiáng)脈動(dòng)、振動(dòng)和噪聲的重要原因[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)螺旋槳、離心泵、水翼等的空化噪聲進(jìn)行了研究，研究通常采用基于FW-H方程的聲類比法。在空化聲學(xué)特性的研究中，黃景泉分析了單個(gè)空泡從初生到潰滅的噪聲，得出了空泡聲輻射能量集中在潰滅階段，空泡群的聲功率等于單空泡輻射能量的平均值與每秒潰滅空泡數(shù)乘積的結(jié)論[3]。戚定滿等利用邊界元法計(jì)算了單個(gè)空泡的演變過程，同時(shí)進(jìn)行了噪聲譜特性分析[4]。文獻(xiàn)[5]利用這些方法對(duì)空泡噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

本文擬采用大渦模擬和Schneer-Sauer空化模型相結(jié)合的方法對(duì)二維閥先導(dǎo)級(jí)空化流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并預(yù)測(cè)空化噪聲。

1 模擬處理及計(jì)算條件

利用UG三維建模軟件，建立三通徑二維閥三維模型。反向建模生成流道模型，二維閥先導(dǎo)級(jí)閥口通道結(jié)構(gòu)具有雙流道中心對(duì)稱的特點(diǎn)。當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)打開高壓節(jié)流口時(shí)，流體經(jīng)過主閥芯中間孔的流道流至模型入口，經(jīng)過渡通道到達(dá)高壓區(qū)，經(jīng)高壓節(jié)流孔至閥套斜槽內(nèi)，再流至敏感腔。本研究選取一半的流體模型作為分析對(duì)象，進(jìn)口流道直徑2.0 mm，過渡流道直徑1.2 mm，出口處的面積約為4.5 mm2。使用MESH軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格對(duì)滑移面和節(jié)流口進(jìn)行局部加密處理，在出口處設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以獲得壓強(qiáng)脈動(dòng)信息。

利用FLUENT中最通用的Lightill噪聲比擬方法，對(duì)二維閥先導(dǎo)級(jí)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用混合多相流的空化模型和大渦模擬模型，選擇PISO壓強(qiáng)速度耦合算法和一階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算。定義主相為液壓油，密度為780 kg·m-3，粘度為 0.0024 kg·m-1·s-1；次相為空氣，密度為1.225 kg·m-3， 粘度為1.789×10-5kg·m-1·s-1；主相與次相的轉(zhuǎn)換滿足cavitation模型。數(shù)值模擬采用壓強(qiáng)入口、壓強(qiáng)出口以及無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)邊界條件。

2 仿真結(jié)果分析

選取節(jié)流口開度為0.02 mm時(shí)，對(duì)二維閥先導(dǎo)級(jí)在空化條件下進(jìn)行分析。通過過渡流道軸線并垂直于進(jìn)口流道軸線的流體面為分析面[5-6]。

2.1 空化流致噪聲分析

圖1為分析面的壓強(qiáng)、速度矢量和流線、氣體體積分布。如圖1所示，由于二維閥先導(dǎo)級(jí)節(jié)流口的節(jié)流作用，節(jié)流口下游區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低于閥內(nèi)液體飽和壓強(qiáng)的低壓區(qū)。從壓強(qiáng)分布圖可以看出：節(jié)流口上游的閥芯部分為高壓區(qū)，下游的低壓區(qū)出現(xiàn)在閥套斜槽內(nèi)。這一低壓區(qū)的存在會(huì)使液體中原有的氣核成長(zhǎng)為氣泡[7]。當(dāng)這些氣泡被流體帶到高壓處時(shí)潰滅，將釋放巨大的脈沖壓強(qiáng)，脈沖壓強(qiáng)反復(fù)沖擊閥的表面，就會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象。在發(fā)生空化后，通過節(jié)流口的高速流體射流強(qiáng)度增強(qiáng)，說明空化的發(fā)生對(duì)閥內(nèi)流體的流動(dòng)影響很大。從氣體體積分布圖可以看出，斜槽內(nèi)的旋渦旋向改變時(shí)，通過節(jié)流口的高速射流加劇了空泡的聚集，而空泡在匯集過程中又會(huì)使空化區(qū)的流體流動(dòng)變得更加復(fù)雜[8-11]。

2.2 空化噪聲分析

空化條件下，二維閥先導(dǎo)級(jí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)空化噪聲頻域特征如圖2和圖3所示。從圖2的聲壓曲線可以發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓曲線走勢(shì)大致相同。在200 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)域聲壓級(jí)數(shù)較高，能量較大；在200 Hz以外的區(qū)域聲壓級(jí)數(shù)較低，能量較小。在0～200 Hz，聲壓曲線下降很快；在200 Hz之后，聲壓曲線基本趨于平緩，變化幅度較小[12]。聲壓級(jí)最終穩(wěn)定在120 dB。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，空化條件下，二維閥先導(dǎo)級(jí)的空化噪聲集中在200 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)域。5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，p3點(diǎn)的頻譜特性與其余4點(diǎn)不同。它除了在200 Hz內(nèi)密集的聲壓頻率外，500 Hz處出現(xiàn)了明顯的次頻，說明該點(diǎn)所反映的距離節(jié)流口最近的閥套斜槽區(qū)內(nèi)側(cè)壁面積聚了更多的湍動(dòng)能，所以貢獻(xiàn)了更高頻次的聲壓波[13-14]。

3 結(jié)論

采用FLUENT軟件，聯(lián)合Lighthill聲類比理論，對(duì)二維閥先導(dǎo)級(jí)非定?？栈鲃?dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)了空化條件下的噪聲效果，得到了如下結(jié)論：

（1）空化條件下，空化氣團(tuán)的聚集影響了閥內(nèi)流體的流態(tài)，加劇了高速射流的流速，其中空化噪聲是主要的噪聲源；

（2）聲能量密度集中在200 Hz以內(nèi)，在200 Hz外聲壓曲線基本趨于平緩，聲壓級(jí)穩(wěn)定在120 dB，聲壓頻帶變寬。