旋轉式換向閥非定常空化流動特性研究*

吳萬榮，丁元根

(中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引 言

旋轉式換向閥通過閥芯與閥套之間的回轉運動實現閥口的切換，因此又稱轉閥，它是液壓激振系統中的重要控制元件，其作用在于能夠實現液壓回路中油液的高頻換向。

由于旋轉式換向閥內流道較復雜，導致換向時，其油液極易在閥內形成漩渦、空化等現象；同時由于空化的周期性脫落、潰滅，會導致閥芯侵蝕、壓力脈動以及噪聲等現象出現，從而影響到液壓激振系統的工作性能。因此，研究旋轉式換向閥內部的流動特性，對于液壓激振系統技術的提高具有現實意義。

目前，隨著計算流體力學技術的不斷發展，數值模擬方法已經成為研究空化現象的重要手段，并且國內外學者對于空化現象也開展了大量的研究，并取得了不少成果[1-3]。

張健[4]針對錐型節流閥的空化問題，利用ASINA軟件對節流閥閥口進行了仿真和試驗驗證，得出了不同閥芯結構下節流閥的壓力特性，為液壓閥的設計和噪聲控制提供了理論依據；王松林等[5]對離心泵內部的非定常空化流動進行了仿真分析，探究了空化對于葉輪、葉片以及蝸殼壓力脈動的影響，通過對比分析離心泵在空化和非空化條件下的壓力脈動特性，得出了空化流動時壓力脈動的最大幅值大于非空化的結論；李樹勛[6]針對超臨界高溫高壓蒸汽疏水閥進行了數值模擬，預測了疏水閥內部空化流動的發生和發展情況，并研究了不同開度、不同壓力以及不同密封角度對內部空化流動的影響；劉秀梅[7]對節流閥內部非定常空化流動進行了數值計算，分析了節流閥內部形態的周期性變化過程及其對應的內部流場的壓力脈動特性；LIANG J[8]對滾珠止回閥進行了數值分析和實驗驗證，對空化和非空化下的流量系數以及液動力進行了對比分析，驗證了空化現象的準確性；HAN M[9]采用多相流模型對大流量比例插裝閥空化作用下的液動力進行了分析，并將仿真結果與實驗對比，得出了二級節流閥可以有效地抑制空化現象發生的結論；AUNG N Z[10]采用大渦模擬和多相流模型對不同入口壓力下的噴嘴擋板伺服閥前置級瞬態流場進行了研究，對其空化區域分布和形態變化規律進行了分析，并提出了一種有效的擋板形狀，有效減小了空化現象的發生；朱鈺[11]采用CFD方法對新型換向閥進行了仿真，得到了不同閥口形式下的流量系數和液動力。

上述文獻大多都是對泵或者其他類型閥所進行的研究，并且大多都是穩態下的研究，而對于轉閥的研究并不多見；但其方法和結果卻也可為轉閥的研究提供參考。

以轉閥為研究對象，筆者采用數值模擬的方法對不同工況下轉閥非定常流動特性進行分析，研究轉閥內部空化區域的分布規律，為轉閥結構的優化設計提供依據。

1 工作原理

轉閥的結構如圖1所示。

圖1 轉閥結構1-閥體;2-閥套;3-閥芯;4-伺服電機

由圖1可知，轉閥主要由閥芯、閥套、閥體、伺服電機等組成。閥芯上分布有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個臺肩，閥芯臺肩Ⅰ和臺肩Ⅲ上的溝槽布置相同，閥芯臺肩Ⅱ和臺肩Ⅳ上的溝槽布置也相同。

閥芯和閥套的配合關系如圖2所示。

圖2 閥芯和閥套配合關系

圖2中，閥芯臺肩上分布有10個溝槽，在閥套上也有相同數量的窗口，閥芯臺肩上相鄰溝槽之間的中心角β為36°，臺肩上溝槽所對應的圓心角α為β/4，相鄰臺肩Ⅰ和Ⅱ上的溝槽相互錯位分布，錯位角度為β/2，閥套上對應的窗口不錯位。隨著伺服電機驅動閥芯做旋轉運動，閥芯臺肩上的矩形溝槽與閥套上的窗口重疊形成節流閥口，且節流閥口的面積隨閥芯的旋轉成周期性變化，呈現出由小變大，再由大變小的趨勢。

其中，閥口打開過程如圖2(a)所示。當閥芯的旋轉角度為0到β/2之間時，閥芯做逆時針旋轉運動時，閥口開度先由小變大，再由大變小，該過程中閥芯臺肩Ⅰ和Ⅲ的溝槽與閥套上的窗口打開；閥口關閉過程如圖2(b)所示。旋轉角度為β/2到β之間時，臺肩Ⅰ和Ⅲ上的溝槽與閥套上的窗口關閉，而對應的臺肩Ⅱ和Ⅳ上溝槽與閥套上的窗口打開，隨著閥芯的繼續轉動，閥口的開閉會呈現出周期性的變化，以實現液流高頻切換。

2 計算模型和控制方程

2.1 計算模型及邊界條件

轉閥的仿真模型如圖3所示。

圖3 閥口仿真模型

轉閥的幾何模型如圖3(a)所示，由于轉閥閥芯溝槽在周向對稱，均勻分布，只需選取一對閥套窗口和閥芯溝槽進行分析。

轉閥的網格模型如圖3(b)所示，采用結構網格對模型進行網格劃分，其模型的節點數為41 250，網格單元數為36 888。

筆者采用Mixture模型對轉閥內部進行仿真。假定液相不可壓縮，液體為液壓油，其密度為850 kg/m3，粘度為0.035 N·s·m-2；氣相為油液蒸汽，其密度為1.2 kg/m3，粘度為1.2×10-5N·s·m-2；飽和蒸汽壓為400 Pa。

筆者采用壓力入口邊界條件，大小為5 MPa，出口設置壓力出口，大小為0.5 MPa，設置閥芯轉速為1 500 r/min。采用基于壓力的求解器；數值計算方法采用SIMPLEC算法；壓力、力矩、體積百分數以及湍動能均采用一階迎風格式。

為了減小網格對計算結果的影響，筆者針對網格進行獨立性檢驗。當網格的數目分別為13 718、17 808、36 888、47 928、118 638時，最大氣體體積分數分別為0.863 4、0.907 04、0.922 4、0.936 2、0.924 6。可知，當網格到達一定數目時，計算結果誤差波動較小。同時，為了保證計算效率，筆者最終選取網格數目為36 888。

2.2 控制方程和模型

(1)混合模型的連續性方程：

(1)

(2)混合模型的動量方程：

(2)

式中：μm—混合粘性。

(3)氣泡體積運輸方程：

(3)

式中：αv—氣相體積分數；ρv—氣相密度；Re—空泡生成率；Rc—空泡凝結率。

(4)空化模型。

由于氣穴空泡在低溫下形成液體，在此過程中認為是等溫的，即可以忽略蒸發散熱。

Rayleigh-Plesset方程與壓力和氣泡容積相關，可表達為：

(4)

式中：R—氣泡半徑；PB—氣泡內的壓力；σ—表面張力系數；μl—液相介質粘性.

為簡便計算，氣泡成長和破裂的過程可表達如下：

(1)當pv>p時：

(5)

(2)當pv≤p時：

(6)

湍流模型選用RNGκ-ε模型。該模型在湍流耗散率中增加了一個R項，考慮了湍流的各向異性，因而在空化數值計算中有著較好的表現[12-14]。

空化模型選用的是Schnerr-Sauer模型，該模型沒有引入任何的經驗系數，因而被廣泛地應用于各種空化流的數值預測中[15-16]。

3 仿真分析

3.1 速度場分析

筆者通過采用滑移網格模型來模擬閥芯的運動，從而得到閥芯運動過程中不同開度下閥口的空化流動特性。

在不同開度下，轉閥的速度分布云圖如圖4所示。

圖4 不同開度下的流速分布云圖

圖4中，θ為閥芯旋轉的角度，當θ為0°～9°時，為閥口打開的過程；當θ為9°～18°時，為閥口關閉的過程。

從圖4中可以看出：由于過流面積的劇變，閥芯溝槽靠近節流口處存在高速射流區域，流速較大的區域主要分布在節流口附近，流速較小的區域主要分布在閥套窗口。

閥口打開時，隨著開口度的增大，流速較大的區域逐漸增大；閥口關閉時，隨開口度的減小，流速較大的區域逐漸減小。觀察流線可以看出，閥芯溝槽極易產生漩渦，并且開度的變化會影響漩渦的大小。閥口打開時，閥芯溝槽只有一個漩渦，在閥芯溝槽的右側，后隨著開度的增大而減小，而閥芯溝槽左側的漩渦隨開度的增大而增大；

閥口關閉過程中，閥芯溝槽左右兩側仍然有兩個漩渦，并隨開度的減小而增大。同時，隨著閥口開度的減小，閥套窗口的右下角也形成一個漩渦，并隨著開度的減小而不斷增大。

3.2 壓力場分析

閥口在不同開度下的壓力分布如圖5所示。

圖5 不同開度下的壓力云圖

從圖5可以看出：壓力較大的區域主要集中在閥套窗口，壓力較小的區域主要集中在閥芯溝槽，壓降主要集中在節流口處。

當閥口打開時，隨著閥口開度的增大，壓降區由節流口逐漸向閥套窗口遷移，壓力較大的區域面積也逐漸減小，靠近節流口處的低壓區的面積也逐漸減小；當閥口關閉時，隨著閥口開度的減小，壓降區逐漸向節流口處遷移，壓力較大區域的面積也不斷擴大。同時，閥芯溝槽的低壓區面積不斷擴大，并隨著閥口開度的減小向節流口處移動。

3.3 空化區域分布

閥口在不同開度下的氣相分布云圖如圖6所示。

圖6 不同開度下的氣相分布云圖

從圖6可以看出：閥口剛打開時，閥芯溝槽發生了空化現象，其主要分布于閥套窗口和閥芯溝槽相連的節流口附近；閥口打開時，當閥口開度為1°時，空化區域較大，隨著閥口開度的繼續增大，空化區域逐漸減小直至空化消失；閥口關閉過程中，隨著閥芯轉動，閥口開度逐漸減小，空化繼續出現，但空化區域分布位置有所改變，主要集中在閥芯溝槽逆出口方向的壁面上。并且隨著開度的減小，空化區域不斷增大。

3.4 不同工況下的空化區域分布

為了研究不同工況下空化現象的變化規律，分別在不同入口壓力(3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa)，不同背壓(0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa)，不同閥芯轉速(750 r/min、1 500 r/min、3 000 r/min、4 500 r/min)的情況下，筆者對閥口進行仿真分析。

由于氣體體積分數比可作為空化程度以及空化區域的衡量標準，可通過對不同工況下最大氣體體積分數進行研究，來進一步揭示不同參數下，最大氣體體積分數的變化規律。

3.4.1 入口壓力對空化區域的影響

以背壓為0.5 MPa，閥芯轉速為1 500 r/min，開口度為1°時的閥口為研究對象，其最大氣體體積分數隨入口壓力的變化曲線如圖7所示。

圖7 不同入口壓力下的最大氣體體積分數

從圖7可以看出：入口壓力對最大氣體體積分數有影響，同一開度下，隨著入口壓力的增大，最大氣體體積分數越大；并且，最大氣體體積分數隨著閥芯的轉動，都呈現出先減小再增大的趨勢。

3.4.2 背壓對空化區域的影響

以入口壓力為5 MPa，閥芯轉速為1 500 r/min，開度為1°時的閥口為研究對象，其最大氣體體積分數與背壓的變化曲線如圖8所示。

圖8 不同背壓下的最大氣體體積分數

從圖8可以看出：隨著背壓的增大，空化區域明顯減小，空化強度明顯減小，這是因為隨著背壓的增大，閥口的壓差減小，閥口的流速減小，導致閥口壓降減小；背壓對最大氣體體積分數也有影響，同一開度下，背壓越大，最大氣體體積分數就越小。

3.4.3 閥芯轉速對空化區域的影響

以入口壓力為5 MPa，背壓為0.5 MPa，開度為1°時的閥口為研究對象，其最大氣體體積分數與閥芯轉速的變化曲線如圖9所示。

圖9 不同閥芯轉速下的最大氣體體積分數

從圖9可以看出：閥芯轉速對空化的分布有影響，隨著閥芯轉速的增大，空化區域越大，空化強度明顯增大；閥芯轉速對最大氣體體積分數也有影響，同一開度下，閥芯轉速越高，最大氣體體積分數越大。

4 結束語

借助Fluent軟件，筆者將Mixture氣穴模型和RNG模型相結合，利用滑移網格技術數值模擬了轉閥的非定常空化流動，分析了空化隨閥口開度變化的分布規律，并研究了入口壓力、背壓以及閥芯轉速對空化區域分布及最大氣體體積分數的影響。

研究結論如下：

(1)流體通過轉閥閥口時，閥芯溝槽極易產生漩渦。閥口打開過程中，溝槽左側的漩渦逐漸增大，溝槽右側的漩渦逐漸減小；閥口關閉時，溝槽兩側的漩渦逐漸增大；

(2)閥口開度的變化會影響空化區域的大小，閥口打開時，空化區域的大小隨開度的增大而減小，閥口關閉時，空化區域逐漸向溝槽逆出口方向的壁面遷移，并隨開度的減小，空化區域的大小逐漸增大；

(3)空化區域隨入口壓力、閥芯轉速的增大而增大，隨背壓的增大而減小；最大氣體體積分數隨入口壓力、閥芯轉速的增大而增大，隨背壓的增大而減小。

該研究結果對閥芯結構的優化設計具有一定的參考意義。