二级节流中间区域压力分布及其刚度特性分析

　　1 前言

　　在水压控制阀工作时,其阀口开度往往很小,阀口处介质流速极高。根据伯努利方程可知,该处压力会很低,极易产生气蚀[1~4]。二级节流是防止和减轻水压控制阀中气蚀的有效结构形式,它由2个节流口串连,共同承担控制阀的压降,使得每个节流口上的压降相对减小,达到减轻气蚀的目的。国内已有了较深入的研究,如刘银水[5,6]和杨友胜[7]等人对二级节流的负载刚度特性及抗气蚀性能进行了详细的理论分析与试验研究,得出二级节流的负载刚度等于组成它的两个节流口负载刚度之和,且其抗气蚀性能较单级节流好的结论。他们研究的前提是假定2个节流口之间区域的压力为定值。而实际上,2个节流口之间区域内不同的点对应着不同压力值。显然,这个中间压力的变化势必影响二级节流的负载刚度。因此,深入研究两节流口之间区域的压力分布及其对负载刚度的影响是非常必要的。

　　本文拟运用CFD技术,对二级节流中间区域的压力分布进行仿真研究,并深入地讨论二级节流的负载刚度特性。

　　2 两节流口之间区域压力分布

　　2.1 模型建立

　　本文以图1所示的二级节流阀口为例,研究二级节流两节流口1、2之间ABCDE中间环腔内的压力分布规律。计算模型为标准的模型。基于Bouss-inesq假设的雷诺应力关联式为:

　　式中,单位张量定义为:为流体密度;uic为i方向的脉动速度分量;ujc为j方向的脉动速度分量;Lt为涡粘性系数;Ui为方向的平均速度分量;Uj为方向的平均速度分量;k为单位质量的湍流脉动能。

　　对于不可压缩的流体,湍动能k和湍流耗散率E的输运方程为:

　　方程中,湍动能表示湍动能的生成项,其表达式为Gk=

　　考虑到结构的对称性,本文采用二维轴对称的几何模型进行计算,其计算域以及网格如图2所示。边界条件为进口、出口压力及壁面。工作介质为纯水,20e时运动黏度约为L=1.00710^-6m²/s,密度为Q=998.2kg/m³,并忽略压力、温度对密度及黏度的影响。

　　2.2 仿真结果

　　这里定义通流面积比为:r=A1/A2。为了便于获取区域内的压力分布,在中间区域选择一实线段l(垂线AE中点与垂线CD中点的连线,如图1所示),将实线段l等分为8份,从进口到出口依次标记为0~8。分3种情况考察实线段l上各点压力的变化情况。(1)通流面积r等于0.6,进口压力pin为10MPa不变,出口压力pout从9MPa以等差为1MPa递减至1 MPa;(2)通流面积r等于0.6,出口压力pout为1MPa,进口压力pin以等差为1 MPa递增至10MPa;(3)进出口压力不变化,两节流口通流面积比r对压力分布的影响。