結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)二級(jí)節(jié)流閥空化流動(dòng)特性的影響

劉秀梅，賀杰，龍正，李文華，李貝貝

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310027; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省礦山機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)二級(jí)節(jié)流閥空化流動(dòng)特性的影響

劉秀梅1，2，3，賀杰1，龍正1，李文華1，李貝貝1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310027; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省礦山機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

節(jié)流閥口的形式以及結(jié)構(gòu)尺寸直接影響節(jié)流閥的性能，因此閥口結(jié)構(gòu)形式選擇及其設(shè)計(jì)是很重要的。通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了二級(jí)節(jié)流口尺寸不同對(duì)閥內(nèi)空化流場(chǎng)、流速以及空化區(qū)域的影響。研究結(jié)果表明:二級(jí)節(jié)流閥內(nèi)上游腔的拐角處、二級(jí)節(jié)流口中間腔的近壁面區(qū)域、閥芯的頂部、節(jié)流口下游的近壁面區(qū)域存在四個(gè)回流區(qū)。隨著閥口尺寸m、n的改變，閥內(nèi)回流區(qū)位置幾乎不變，但是回流區(qū)面積大小會(huì)發(fā)生改變。但是m=2，n=1時(shí)二級(jí)節(jié)流閥具有較好的抗空蝕特性。研究結(jié)論為工程人員設(shè)計(jì)高性能液壓閥提供了理論依據(jù)。

節(jié)流閥;閥口;開(kāi)度;閥口尺寸

空化現(xiàn)象一直是液壓閥中經(jīng)常發(fā)生的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。當(dāng)流體通過(guò)液壓閥后，如果流體的靜壓降低到低于該液體的飽和蒸汽壓時(shí)，容易出現(xiàn)空化現(xiàn)象。空化產(chǎn)生的空泡容易造成流體的微小噴射，并對(duì)閥門(mén)表面形成沖擊，導(dǎo)致閥芯和閥座面損壞，帶來(lái)噪聲和振動(dòng)問(wèn)題，而且還會(huì)影響液壓元件的性能和壽命［1－2］。因此，研究和分析液壓閥內(nèi)部空化流動(dòng)，預(yù)測(cè)空化和空蝕的危險(xiǎn)區(qū)域，探討流場(chǎng)條件和幾何參數(shù)對(duì)空化和空蝕的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［3］。

由于液壓閥內(nèi)部流動(dòng)是復(fù)雜的三維湍流運(yùn)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行研究面臨很大困難。目前液壓閥內(nèi)部空化問(wèn)題主要從兩個(gè)角度來(lái)研究。①采用透明模型進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀察液壓閥內(nèi)空化流動(dòng)特性;②應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)各種流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)空化發(fā)生區(qū)域。從以上兩個(gè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。Oshima［4］利用半切模型對(duì)錐閥氣穴流動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致的研究，在半切錐閥的平面上，覆蓋有機(jī)玻璃板用來(lái)觀察氣穴，研究得出了錐閥流向(外流、內(nèi)流式)與氣穴、流量和噪聲特性的關(guān)系。Jazi［5］研究了球閥內(nèi)部空化空蝕現(xiàn)象，指出當(dāng)球閥的閥口開(kāi)度低于12%時(shí)，可根據(jù)高頻信號(hào)變化來(lái)判斷空化發(fā)生和發(fā)展情況，當(dāng)球閥閥口開(kāi)度較大時(shí)，空泡潰滅輻射低頻聲信號(hào)則很難探測(cè)。Casoli［6］采用CFD(Computational fluid dynamics)研究了高壓閥中兩相流現(xiàn)象，運(yùn)用Singhal空化模型描述相位變化和標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程來(lái)修正湍流擾動(dòng)，并實(shí)驗(yàn)研究了質(zhì)量變化率與壓力的關(guān)系。Chern［7］通過(guò)數(shù)值方法指出閥體內(nèi)部漩渦中心會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象，當(dāng)無(wú)閥蓋時(shí)下游有空化現(xiàn)象，但是有閥蓋時(shí)則沒(méi)有。Valdés［8］采用CFD數(shù)值模擬了球形節(jié)流閥內(nèi)空化流動(dòng)，研究了不同開(kāi)度下通過(guò)閥體的流體質(zhì)量變化。Tabrizi［9］采用CFD數(shù)值模擬了球形閥內(nèi)空化流動(dòng)，分析了球形閥內(nèi)壓力變化以及閥腔下游漩渦的形成。研究結(jié)果表明:閥口開(kāi)度是影響球形閥空化性能的一個(gè)重要因素。隨著閥口開(kāi)度減小，漩渦變大，閥腔內(nèi)壓降增大。浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室［10］從流場(chǎng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)可視化角度研究了錐閥與球閥閥口的氣穴流動(dòng)以及溢流閥中的氣穴噪聲。偶國(guó)富［11］針對(duì)高壓差調(diào)節(jié)閥高速氣－液－粒三相流傳輸引起的閥芯嚴(yán)重空蝕和沖蝕磨損問(wèn)題，數(shù)值計(jì)算了閥內(nèi)的空化場(chǎng)及其它重要流場(chǎng)信息，并提出了空蝕預(yù)測(cè)方法，為了減弱空化的發(fā)生，可以從改善閥體及閥芯結(jié)構(gòu)上考慮。劉銀水等［12－13］對(duì)二級(jí)節(jié)流閥的負(fù)載剛度特性及抗氣蝕性能進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析與試驗(yàn)研究，得出了二級(jí)節(jié)流閥的負(fù)載剛度等于組成它的兩個(gè)節(jié)流口負(fù)載剛度之和，且抗氣蝕性能較單極節(jié)流閥好的結(jié)論。二級(jí)節(jié)流閥是防止和減輕節(jié)流閥中氣蝕的有效結(jié)構(gòu)形式，它由2個(gè)節(jié)流口串連，共同承擔(dān)閥內(nèi)壓降，使得每個(gè)節(jié)流口上的壓降相對(duì)減小，達(dá)到減輕氣蝕的目的。目前對(duì)于一級(jí)節(jié)流閥的研究較多，但對(duì)于以液壓油為介質(zhì)的二級(jí)節(jié)流閥內(nèi)的空化流動(dòng)特性的研究較少，所以本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了不同結(jié)構(gòu)下二級(jí)節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)及空化區(qū)域分布。

1 計(jì)算模型與控制方程

由于節(jié)流閥口的形式以及結(jié)構(gòu)尺寸直接影響節(jié)流閥的性能，因此，其結(jié)構(gòu)形式選擇及其設(shè)計(jì)是很重要的。在油壓節(jié)流閥中存在嚴(yán)重的節(jié)流氣穴、氣蝕問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了閥的性能，因此在選擇閥形式及確定結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，重點(diǎn)考慮怎樣避免氣穴的產(chǎn)生和減小氣蝕的破壞，提高閥的性能。從對(duì)節(jié)流氣穴和氣蝕現(xiàn)象的分析可知:二級(jí)節(jié)流的抗氣蝕性能要比一級(jí)節(jié)流的抗氣蝕性能好。因此，節(jié)流閥宜采用二級(jí)節(jié)流的形式［14］。

1.1 計(jì)算模型

由于本文所討論的空化發(fā)生區(qū)域主要集中節(jié)流閥口附近，且節(jié)流閥口附近的流動(dòng)具有基本對(duì)稱性。因此，為了降低計(jì)算維度建立了如圖1(a)所示錐形節(jié)流閥的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型，在CFD仿真中采用旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱假設(shè)實(shí)現(xiàn)二級(jí)節(jié)流閥的空化現(xiàn)象仿真。圖1(b)為二級(jí)節(jié)流閥內(nèi)部流道的空化數(shù)值仿真模型，其中X是節(jié)流閥的開(kāi)度，m，n為一級(jí)、二級(jí)節(jié)流口尺寸(分別取1 mm、1.5 mm、2 mm)，此外本文節(jié)流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)L、L1、D、d分別取值為100 mm、60 mm、16 mm、8 mm。假設(shè)液相介質(zhì)為不可壓縮流體，氣相介質(zhì)為可壓縮流體，空化流動(dòng)過(guò)程視為恒溫絕熱過(guò)程。邊界條件如下:節(jié)流閥入口采用壓力入口邊界條件(pressure－inlet)，設(shè)定值為0.8 MPa，節(jié)流閥出口采用壓力出口邊界條件(pressure－outlet)，設(shè)定值為0.2 MPa，節(jié)流閥旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸采用軸邊界條件(axis)，閥芯邊界及閥座內(nèi)邊界采用壁面邊界條件(wall)。針對(duì)圖1所示的流道幾何模型采用非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并結(jié)合流動(dòng)特點(diǎn)對(duì)流道閥口位置及閥口后部空化區(qū)域設(shè)置較密的網(wǎng)格。同時(shí)根據(jù)該網(wǎng)格劃分方案計(jì)算不同密度的兩種網(wǎng)格并對(duì)數(shù)值解進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定本文計(jì)算所采用的網(wǎng)格單元數(shù)61 129。為了完成二級(jí)節(jié)流閥的空化現(xiàn)象的數(shù)值仿真，本文采用Mixture模型對(duì)閥內(nèi)液壓油空化流動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，主要相流體為液壓油，次要相流體為油蒸汽，閥腔內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為液壓油，密度為889 kg/m3，常溫下運(yùn)動(dòng)黏度為120 mm2/s。采用SIMPLE方法求解壓力耦合方程組，壓力的離散采用Standard格式，密度、動(dòng)量、能量等的離散采用First Order Upwind格式。

圖1 二級(jí)節(jié)流閥簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)及數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Throttle valve simplified structure and numericalmodels

1.2 控制方程組

在節(jié)流閥內(nèi)空化流動(dòng)的計(jì)算選用了Fluent軟件中的Mixture模型，且空化流動(dòng)采用Singhal等發(fā)展的全空化模型完成計(jì)算。其中在Mixture模型假定下，在較小的空間長(zhǎng)度尺度范圍內(nèi)，液相和空泡相相間耦合強(qiáng)烈且滿足局部平衡條件。因此，可以將空化流動(dòng)中流體相和空泡相作為統(tǒng)一的流體進(jìn)行研究，即采用如文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［15］中所述的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程，同時(shí)本文所采用基于Boussinesq假設(shè)的雷諾應(yīng)力關(guān)聯(lián)式來(lái)計(jì)算閥內(nèi)湍流［16］:

式中:ρ為油相與泡內(nèi)氣體相混合流體的密度，ρv、ρl分別為空泡相(液壓油蒸汽)、流體相(液壓油)的密度，v→為混合流體的速度矢量，αv、αl分別為空泡相、流體相的體積分?jǐn)?shù)，且αv+αl=1，Re為油蒸汽產(chǎn)生率，Rc為油蒸汽凝結(jié)率，P為流體靜壓力，Ev、El分別為空泡相、流體相能T為流體的溫度，keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)。

為了描述空化的發(fā)生與潰滅過(guò)程，空化流動(dòng)過(guò)程中油蒸汽產(chǎn)生率Re和凝結(jié)率Rc由描述空泡動(dòng)力學(xué)特性的Rayleigh－Plesset方程(式5)描述:

式中，RB為空化泡半徑，PB為泡內(nèi)壓強(qiáng)，μ為液壓介質(zhì)黏性，σ為液壓介質(zhì)表面張力。在忽略二階項(xiàng)及表面張力的影響下可以由式(5)得出:

另一方面，考慮Mixture模型混合相的密度表達(dá)式為:

其中，蒸汽的體積分?jǐn)?shù)可以從空化數(shù)n和空泡的半徑計(jì)算得出:

組合式(7)和式(8)并求微分可得:

結(jié)合流體相及空泡相連續(xù)性方程、式(6)、式(9)，并考慮缺少估算空化數(shù)密度的通用模型，因此可以得出相變率R為:

在實(shí)際的空化模型中，在不考慮溶解氣體、質(zhì)量傳遞及黏性阻尼的情況下，泡內(nèi)壓強(qiáng)PB通常等于飽和蒸汽壓Pv。因此，式(2)中液相與汽相的質(zhì)量變化率可以從式(10)給出:

式中:Fvap、Fcond為常量，分別等于0.02、0.01，飽和蒸汽壓Pv由湍流壓力波動(dòng)估計(jì)值校正:

式中:Psat為當(dāng)?shù)匾合嗟娘柡驼羝麎骸?/p>

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 空化流場(chǎng)、流速分析

為了直觀地分析二級(jí)節(jié)流閥中節(jié)流口尺寸變化對(duì)閥內(nèi)空化流場(chǎng)的影響，我們選擇9種不同的節(jié)流閥結(jié)構(gòu)尺寸(即m，n值)，圖2分別為閥體內(nèi)部流線分布圖(上半部)和流速分布圖(下半部)，其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示不同的m－n值。從圖2可知，閥口流線轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生流體分離現(xiàn)象，并出現(xiàn)回流區(qū)。回流區(qū)主要分布在:上游腔的拐角處1、二級(jí)節(jié)流口中間腔的近壁面區(qū)域2、閥芯頂部3、節(jié)流口下游近壁面區(qū)域4。回流區(qū)1、回流區(qū)2的旋渦尺度小，強(qiáng)度大，而回流區(qū)3、回流區(qū)4旋渦尺度大，強(qiáng)度弱。回流區(qū)流速及旋渦強(qiáng)度都較強(qiáng)，消耗主流能量較大，導(dǎo)致壓降與能量的降低。旋渦中心壓力也較低，這些低壓區(qū)的存在是導(dǎo)致流體氣穴產(chǎn)生的主要原因。此外，二級(jí)節(jié)流閥中結(jié)構(gòu)尺寸m、n不同時(shí)，閥內(nèi)回流區(qū)位置幾乎不變，但是回流區(qū)面積大小會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)m值一定時(shí)，隨著n值的增大，回流區(qū)3的面積逐步減小、回流區(qū)4面積逐步增加。由于閥芯易更換，所以我們重點(diǎn)關(guān)注閥體處回流區(qū)面積和強(qiáng)度較小的結(jié)構(gòu)，即n=1的結(jié)構(gòu)。在n=1時(shí)，隨著m值的增大，回流區(qū)3的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，回流區(qū)4的面積逐步減小。即圖2中m=2、n=1的結(jié)構(gòu)閥體處回流區(qū)最小，即產(chǎn)生空蝕的可能性最小。由于二級(jí)節(jié)流口m和n的尺寸決定上下游節(jié)流口的相對(duì)位置，其會(huì)影響流體流經(jīng)節(jié)流口后的流向和流速，節(jié)流閥二級(jí)節(jié)流口拐點(diǎn)(A、B)之間的連線與液體的流向基本一致，其與水平線的夾角越小，節(jié)流口后的回流區(qū)面積也就越小。

圖2 流場(chǎng)(上半部)和流速分布圖(上半部)Fig.2 Flow charts(the upper part)and Velocity contours(the down part)

從圖2還可知，不同節(jié)流口尺寸下閥內(nèi)油液的流速分布。由于通流截面積的突然縮小會(huì)導(dǎo)致流速升高，所以閥內(nèi)油液流速?gòu)? m/s增加到40 m/s。圖中流速較小(2 m/s)的區(qū)域主要分布在閥座的拐角、二級(jí)節(jié)流口中間腔、閥芯頂端及節(jié)流口下游回流區(qū)內(nèi);流速較高區(qū)域主要分布在節(jié)流口下游流道中心;流速變化區(qū)域主要分布在上游節(jié)流口和下游節(jié)流口之間的過(guò)渡區(qū)域，這與文獻(xiàn)［14］的結(jié)論一致。此外，隨著m值的增加和n值的減小，高流速區(qū)域逐步向節(jié)流口附近擴(kuò)展。m值的增加增大了下游節(jié)流口的開(kāi)度，從而使得下游節(jié)流口附近的流速下降，上游節(jié)流口處流體流速相對(duì)增加，所以高流速區(qū)域就會(huì)向上游擴(kuò)展。同樣，n值的減小會(huì)增加上游節(jié)流口的節(jié)流作用，上游節(jié)流口附近的流速增大，高流速區(qū)域亦向上游擴(kuò)展。從圖2還可知，節(jié)流口尺寸m=2，n=1時(shí)高流速區(qū)域面積最小，且流速變化較小，所以該種結(jié)構(gòu)下空化現(xiàn)象最不易發(fā)生。

2.2 空化壓力場(chǎng)與空化區(qū)域分析

不同節(jié)流口結(jié)構(gòu)下二級(jí)節(jié)流閥閥腔內(nèi)壓力分布云圖(上半部)與空化區(qū)域分布(下半部)見(jiàn)圖3，圖3中低壓區(qū)主要分布在節(jié)流口下游，與圖2中回流區(qū)4的位置一致。在節(jié)流口處以及節(jié)流口下游流道中心區(qū)域，壓力梯度較大。隨著m值增加和n值減小，節(jié)流口的節(jié)流作用更加明顯，流體流經(jīng)節(jié)流口后的流速逐步減小，降低節(jié)流口下游相對(duì)流速，從而減小節(jié)流口下游的低壓區(qū)并導(dǎo)致發(fā)生流體脫落的區(qū)域變小。從圖3可知，節(jié)流口尺寸m=2，n=1時(shí)，閥中低壓區(qū)域最小，節(jié)流口后的壓降也最小，此時(shí)抗空蝕性能最好。

圖3 壓力(上半部)和空化區(qū)域分布圖(下半部)Fig.3 Pressure contours(the upper part)and cavitation region distribution(the down part)

對(duì)于尾流和射流而言，空化現(xiàn)象首先出現(xiàn)在因分離所引起剪切層的表面［17］。氣體體積比作為空化程度以及空化區(qū)域的衡量依據(jù)［9］，圖3(a)～圖3(i)為不同節(jié)流口尺寸下節(jié)流閥內(nèi)空化區(qū)域分布圖。從圖中可以看出:不同結(jié)構(gòu)尺寸的二級(jí)節(jié)流閥(m、n不同)內(nèi)部均有空化現(xiàn)象發(fā)生，且空化區(qū)域主要分布在節(jié)流口后靠近流道邊緣的低壓區(qū)，即流體分離層處。隨著n值減小，流經(jīng)節(jié)流口的流體流速逐步降低，低壓區(qū)域逐步縮小，對(duì)應(yīng)的空化區(qū)域也逐步萎縮，由圖3(g)可知，(m =2，n=1)的空化區(qū)域幾乎消失，所以此種結(jié)構(gòu)下節(jié)流閥抗空蝕性能較高。但是，m=2，n=1時(shí)閥芯倒角處出現(xiàn)新的空化區(qū)域，所以不能簡(jiǎn)單的通過(guò)持續(xù)增大m值和減小n值來(lái)獲得更好地抗空蝕特性結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文以液壓油為流體介質(zhì)采用Fluent數(shù)值模擬了節(jié)流口尺寸變化對(duì)二級(jí)節(jié)流閥內(nèi)部空化流場(chǎng)的影響，得出了以下結(jié)論:

(1)節(jié)流閥閥口尺寸變化對(duì)二級(jí)節(jié)流閥內(nèi)部壓力場(chǎng)、流場(chǎng)和空化區(qū)域有很大的影響。

(2)二級(jí)節(jié)流閥內(nèi)上游腔的拐角處、二級(jí)節(jié)流口中間腔的近壁面區(qū)域、閥芯的頂部、節(jié)流口下游的近壁面區(qū)域存在四個(gè)回流區(qū)。

(3)從減少對(duì)閥體結(jié)構(gòu)空蝕角度來(lái)看，閥口尺寸m=2、n=1時(shí)，即沿著流線方向尺寸為2 mm、垂直于流線方向尺寸為1 mm時(shí)該二級(jí)節(jié)流閥抗空蝕效果最好，但該方案在節(jié)流閥閥芯附近出現(xiàn)空化區(qū)，可能對(duì)閥芯造成一定的空蝕破壞。

［1］金巖，郝志勇.針對(duì)通過(guò)噪聲的空濾器聲學(xué)特性研究與改進(jìn)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2006，40(8):1143－1145.

JIN Yan，HAO Zhi－yong.Investigation and improvement of air－in filter acoustic performance towards pass－by noise［J］.Journal of Zhejiang University:Engineering Science，2006，40(8):1143－1145.

［2］張德勝，施衛(wèi)東，潘大志，等.基于數(shù)值模擬的特種混流泵水力性能優(yōu)化與試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，6:177－184

ZHANG De－sheng，SHI Wei－dong，PAN Da－zhi，et al.Hydralic performance optimization and experiment of special mixed－flow pump based on numerical simulation［J］.Journal ofmechanical engineering，2014，6:177－184.

［3］王松林，譚磊，王玉川.離心泵瞬態(tài)空化流動(dòng)及壓力脈動(dòng)特性［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32(22):168－173.

WANG Song－lin，TAN Lei，WANG Yu－chuan.Characteristics of transient cavitation flow and pressure fluctuation for a centrifugal pump［J］.Journal of Vibration and Shock，2013，32(22):168－173.

［4］Oshima S，Leino T，Linjama M，etal.Effectof cavitation in water hydraulic poppet valves［J］.Fluid Power，2001，2(3): 5－13.

［5］Masjedian Jazi A，Rahimzadeh H.Detecting cavitation in globe valves by two methods:Characteristic diagrams and acoustic analysis［J］.Applied Acoustics，2009，70(11): 1440－1445.

［6］Casoli P，Vacca A，Berta GL.A numerical procedure for predicting the performance of high pressure homogenizing valves［J］.Simul Modell Practice Theory，2010，18(2):125－38.

［7］Chern M，Hsu P，Cheng Y，et al.Numerical study on cavitation occurrence in globe valve［J］.Journal of Energy Enaineering，2013，139(1)，25－34.

［8］Valdés J R，Rodríguez J M，Monge R，et al.Numerical simulation and experimental validation of the cavitating flow through a ball check valve［J］.Energy Conversion and Management，2014，78:776－786.

［9］Tabrizi A S，Asadi M，Xie G，et al.Computational fluiddynamics－based analysis of a ball valve performance in the presence of cavitation［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2014，23(1):27－38.

［10］高紅.溢流閥閥口氣穴與氣穴噪聲的研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2003.

［11］偶國(guó)富，饒杰，章利特，等.煤液化高壓差調(diào)節(jié)閥空蝕/沖蝕磨損預(yù)測(cè)［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(2):155－161.

OU Guo－fu，RAO Jie，ZHANG Li－te，et al.Numerical investigation of cavitation erosion/solid particle erosion in high differential pressure control valves in coal liquefaction［J］.Tribo logy，2013，33(2):155－161.

［12］劉銀水，楊友勝，朱玉泉，等.以水為介質(zhì)阻尼孔氣穴流動(dòng)理論和實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(2):147－150.

LIU Yin－shui，YANG You－sheng，ZHU Yu－quan，et al.Theoretical and experimental research on cavitation flow of orifices using water asworkingmedia［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(2):147－150.

［13］楊友勝，張鐵華，賀小峰，等.一種新型圓錐式節(jié)流閥口的特性分析［J］.機(jī)床與液壓，2002，02:113－114.

YANG You－sheng，ZHANG Tie－h(huán)ua，HE Xiao－feng，et al.Analysis of a novel conical throttle’s characterisatics［J］.Machine Tool＆Hydraulics，2002，02:113－114.

［14］聶松林，楊友勝，朱玉泉，等.二級(jí)節(jié)流中間區(qū)域壓力分布及其剛度特性分析［J］.液壓與氣動(dòng)，2005(8):9－11.

NIE Song－lin，YANG You－sheng，ZHU Yu－quan，et al.Research on the pressure distribution between the two throttles of two－step throttle and its load rigidity characteristics［J］.Hydraulics＆Pneumatics，2005(8):9－11.

［15］陳慶光，吳玉林，劉樹(shù)紅，等.軸流式水輪機(jī)全流道內(nèi)非定常空化湍流的數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42(6): 211－216.

CHEN Qing－guang，WU Yu－lin，LIU Shu－h(huán)ong，et al.Numerical simulation of unsteady cavitation turbulent flow in the whole flow passage of a kaplan turbine［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，42(6):211－216.

［16］龍正，劉秀梅，李貝貝，等.節(jié)流閥小開(kāi)度下空化特性的數(shù)值分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(4):56－58.

LONG Zheng，LIU Xiu－mei，LI Bei－bei，et al.Numerical simulation and analysis on cavitation property at small opening of throttle valve［J］.Manufacturing Automation，2014，36 (4):56－58.

［17］黃繼湯.空化與空蝕的原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1991.

Effects of structural sizes on characteristics of cavitating flows in a two-step throttle valve

LIU Xiu－mei1，2，3，HE Jie1，LONG Zheng1，LIWen－h(huán)ua1，LIBei－bei1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;
2.The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;
3.Jiangsu Key Laboratory of Mine Mechanical and Electrical Equipment，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

The shape and structural sizes of throttle valve port have a direct impact on the characteristics of cavitating flows in a two－step throttle，so it is important to choose and design the right form of the throttle valve port.Here，the effects of different port sizes on cavitation flow field，flow velocity and cavitation area in a throttle valve were investigated using CFD to choose the best combination of port sizes and choke sizes.The numerical results showed that there are four vortexes located atupstream of the flow channel，thewall of themiddle section of two－port valves，the top of valve rod，and downstream of the flow channel;with the change of port size of m and n，the positions of vortex in a twostep valve are almost the same，but their areas change;however，if m=2，n=1，the two－step throttle valve has a better structure with an anti－cavitation performance.The results provided a theoretical basis for engineers to design a highperformance throttle valve.

throttle valve;valve port;opening;valve port size

TH137;O359

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.025

國(guó)家自然科學(xué)基金(51209203，51309221，51205391);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012131);浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(GZKF－201317);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目;江蘇省第三批高校優(yōu)秀中青年教師和校長(zhǎng)赴境外研修項(xiàng)目

2014－11－17修改稿收到日期:2015－01－07

劉秀梅男，博士，副教授，1982年生

李貝貝男，博士，講師，1984年生