纯水液压锥阀气穴流场数值模拟研究

　　纯水液压锥阀具有密封性好、动作可靠、结构简单、响应快、抗污染能力强等特点,日益得到广泛应用。由于纯水的汽化压力比矿物型液压油高很多,而随着温度的升高,汽化压力升高得很快,纯水极易汽化和沸腾。在液流中当某点压力低于液体在此温度下的空气分离压时,原来溶于液体中的气体会分离出来,产生气泡,这就是气穴现象。气穴不仅影响锥阀的使用性能和精度,引起振动和噪声,而且还会产生破坏锥阀阀芯和阀体表面的高压冲击波,流体中的微粒会撞击表面,造成锥阀表面的磨损,缩短锥阀的使用寿命。因此,研究纯水液压锥阀的气穴流场十分必要^[1]。

　　计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析^[2]。常用的计算流体动力学软件为FLUENT和GAMBIT。FLUENT是用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用计算流体动力学软件。GAMBIT是专用前处理软件包,用来为计算流体动力学数值模拟生成网格模型,主要功能包括:建立几何模型、划分网格和指定边界^[1-3]。

　　作者根据纯水液压锥阀的结构特点,基于GAM-BIT建立了纯水液压锥阀模型,并在FLUENT中进行了求解计算,研究了纯水液压锥阀的气穴流场。研究结果对于纯水液压锥阀的气穴控制有一定的理论和实用价值。

　　1 几何模型

　　根据使用情况,纯水液压锥阀可以分为外流式和内流式:内流式的水流流动方向是从上阀腔流入从下阀腔流出;而外流式的水流流动方向则从下阀腔流入从上阀腔流出。作者以外流式锥阀为分析对象,其结构简图如图1所示。

　　其中:进口AJ直径d=10 mm,出口为DE和FG,阀口开度h可变,阀芯半锥角α=30^。,阀腔半径r=20 mm,CD=18 mm,AB=30 mm。

　　2 数学模型

　　2.1 基本方程

　　由于将锥阀简化为二维轴对称模型,且流体为不可压缩流体,所以其质量方程为:

动量方程为:

其中:为平均速度;为i方向的脉动速度分量;为j方向的脉动速度分量;ρ为流体密度;p为平均压力;为运动黏度。

　　2.2 气穴模型

　　气相体积分数方程:

其中:α_a为气相体积分数;ρ_a为气相密度;为气相与液相之间的质量转换。

其中:ρ_l为液相密度;

　　ρ为平均密度;

　　(1-α_a)为液相体积分数;

　　p_v为汽化压力;

　　n为单位体积的气泡数。

　　2.3 RNGk-ε湍流模型

　　RNGk-ε湍流模型采用基于Boussinesq假设的雷诺应力关联式: