液压阀内高速流场仿真与实验分析

　　1 前言

　　随着液压技术向着高速、高压、大功率方向的发展,液压系统的噪声也日趋严重,并且成为妨碍液压技术进一步发展的因素,而液压阀的气穴是液压系统噪声的主要因素之一。液压系统中的气穴现象会影响液压系统的工作性能,除了产生振动、噪声外,还会使系统的效率降低,损坏零件、缩短液压元件和管道的寿命,造成流量和压力的脉动。因此研究和分析液压阀的气穴现象,认识液压阀中产生气穴的状况和气穴产生的界限、气穴与阀口形状的关系等对减少和降低液压系统的振动和噪声,改善液压系统的性能有着积极而深远的意义。

　　节流部位出现的气穴是液压控制元件中最重要的噪声源,目前对以油为工作介质的液压元件及系统中的流场及气穴现象的深入研究还很少[1~3]。液压元件内流道形体复杂、尺寸小、压差大、阀口流速高,使得从气泡微观层面上研究液压元件中的气穴现象非常困难。本文针对以上问题,从流场分析入手,用仿真和实验相对比的方法研究了节流阀口形状参数,压力分布和气穴形态之间的相关关系,对液压阀工程设计有着很好的参考价值。

　　2 几何模型及仿真分析

　　2.1 阀体结构及数学模型

　　液压阀节流的方式之一,是在阀芯凸肩圆周上均布不同形状的小槽及其组合形式,如三角槽等,一般用于节流控制,如图1所示,有比例、伺服、手动等控制方式。此种节流方式下阀口水力半径较大,抗阻塞性能好,容易获得小的稳定流量,但当背压较低时会产生大量气穴。为了研究阀口结构和内部流场以及压力分布之间的相关关系,按照图1所示结构建立数学及仿真模型。

　　液压阀内的流动多数属于湍流,阀口气穴流属于多相流,直接用N-S方程对湍流流场进行数值模拟只能解决一些简单的流场,因此,湍流模式理论仍是解决工程问题的有效方法。湍流中的速度、压力都可以分解为平均量和脉动量:

　　对于不可压缩流体,雷诺平均运动的连续性方程为:

　　对于不可压缩黏性流体,忽略质量力,把式(1)、式(2)代入Navier-Stokes动量方程,可得:

　　采用雷诺平均方法处理的N-S方程(4)也称为雷诺方程。方程中除了平均压力、平均分子黏性作用力、平均质量力外,还出现了附加应力项称为雷诺应力或湍流应力。雷诺应力是未知的,因此雷诺方程不封闭。为封闭雷诺方程,需对雷诺应力进行模式化处理,引入湍流模式k-E方程模型。

　　RNG k-E湍流模式采用了基于Boussinesq假设的雷诺应力关联式[4]: