阀口气穴流场的数值模拟与实验研究

　　近10年来,计算流体动力学和流动可视化显示技术的发展为人们从微观的层面认识气穴现象及其诱发流体振动的机理提供了科学的手段[1, 2],使以流场控制为基础的液压元件结构优化设计成为可能。在设计元件时,一般的过程为初步设计、样机性能试验、制造。如果采用CFD方法通过计算机进行样机性能试验,很好地在图纸设计阶段预测元件的性能和内部流动产生的漩涡、气穴、边界层分离、叶片颤振等不良现象,力求将可能发生故障的隐患消灭在图纸设计阶段。而且数值模拟可提供丰富的流场信息,为设计者设计和改进液压元件提供依据。可以说, CFD方法是设计者从流体流动机理出发,以快速、经济的途径来提高性能的设计思想和方法,是现在和未来研制液压元件及其他流体机械必不可少的工具和手段。

　　对滑阀阀口高速喷流引起的气穴现象进行流场数值模拟,并据此定性分析流场结构,如:几何参数、物理参数等对气穴强度的影响,定量预测阀内气穴发生的区域,通过对不同结构的流场分析寻求优化的流道结构形状,从而抑制气穴发生,减少阀内的气穴强度,降低阀体内的气穴噪声,为设计高效率、低能耗、低噪声的液压阀奠定基础,具有重要的理论意义和实际应用价值。

　　1　液压阀口的压力流量特性

　　常见的阀口形式有圆柱滑阀阀口、锥阀阀口、球阀阀口等,它们的通用流量特性公式为

　　式中,q为通过流量;Cd为流量系数;A为阀口通流面积;ρ为油液密度;Δp为进出口压差。这一公式表达了通过流量与阀的开口大小及进出口压差之间的关系,适用于各类液压阀口形式,只是通流面积A及流量系数Cd因阀口形式不同而已。

　　圆柱阀口是最常见的阀口形式之一,其结构简图如图1a所示,流量系数曲线如图1b所示,阀口的通流面积为A =Wx =πdx,W是滑阀通流面积梯度即阀口过流周长。圆柱滑阀的阀口水利直径为,

　　当W =πd >>x时,Dh=2x,于是雷诺数为,Re=2xv/ν,其流量系数可由图1b所示的曲线图查得,当Re>100,流量系数Cd=0.67~0.74。

　　2　数值模拟阀口气穴流场

　　在液压系统中,液压阀内的流动多数属于湍流,阀口气穴流属于多相流,湍流模式理论是解决工程问题的有效方法。RNGk-ε湍流模式由Yokhot和Orszag等人应用重整化理论发展而来[3],其基本思想是把湍流视为随机力驱动的输运过程,通过频谱分析的方法消去其中的小尺度涡并将其影响归并到涡粘性中,以得到所需尺度上的输运过程。针对阀口喷流的现象,采用FLUENT商业化CFD软件中的RNGk-ε湍流模型、多相流气穴模型和壁面模型相结合,对阀体内流场进行模拟。