二維閥測空化噪聲的數(shù)值模擬

程 寬 趙永華

（嘉興職業(yè)技術(shù)學院 智能制造學院，嘉興 314036）

液壓閥是液壓系統(tǒng)中用來控制液流的壓強、流量和流動方向的控制元件。二維閥將先導級和功率級集成在一個閥芯的兩個運動自由度上。先導級的旋轉(zhuǎn)滑閥開口具有很高的壓強增益，電-機械轉(zhuǎn)換器只需輸出很小的角位移就能引起壓強的急劇變化，易于實現(xiàn)閥的快速工作和高頻響應。二維閥具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、動態(tài)特性理想、抗污染能力強、泄漏流量小以及功重比大等優(yōu)點。二維閥閥芯的轉(zhuǎn)動使得閥的節(jié)流口頻繁啟閉，導致通過節(jié)流口的液體壓強驟降。當液體局部壓強低于其飽和蒸氣壓時，液體中原有的“氣核”成長為氣泡，而氣泡在高壓處潰滅，就會發(fā)生空化現(xiàn)象[1]。空化現(xiàn)象是引起二維閥壓強脈動、振動和噪聲的重要原因[2]。

國內(nèi)外學者對螺旋槳、離心泵、水翼等的空化噪聲進行了研究，研究通常采用基于FW-H方程的聲類比法。在空化聲學特性的研究中，黃景泉分析了單個空泡從初生到潰滅的噪聲，得出了空泡聲輻射能量集中在潰滅階段，空泡群的聲功率等于單空泡輻射能量的平均值與每秒潰滅空泡數(shù)乘積的結(jié)論[3]。戚定滿等利用邊界元法計算了單個空泡的演變過程，同時進行了噪聲譜特性分析[4]。文獻[5]利用這些方法對空泡噪聲進行了預測。

本文擬采用大渦模擬和Schneer-Sauer空化模型相結(jié)合的方法對二維閥先導級空化流動進行數(shù)值計算，并預測空化噪聲。

1 模擬處理及計算條件

利用UG三維建模軟件，建立三通徑二維閥三維模型。反向建模生成流道模型，二維閥先導級閥口通道結(jié)構(gòu)具有雙流道中心對稱的特點。當閥芯旋轉(zhuǎn)打開高壓節(jié)流口時，流體經(jīng)過主閥芯中間孔的流道流至模型入口，經(jīng)過渡通道到達高壓區(qū)，經(jīng)高壓節(jié)流孔至閥套斜槽內(nèi)，再流至敏感腔。本研究選取一半的流體模型作為分析對象，進口流道直徑2.0 mm，過渡流道直徑1.2 mm，出口處的面積約為4.5 mm2。使用MESH軟件進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格對滑移面和節(jié)流口進行局部加密處理，在出口處設置5個監(jiān)測點，以獲得壓強脈動信息。

利用FLUENT中最通用的Lightill噪聲比擬方法，對二維閥先導級的流場和聲場進行數(shù)值模擬，采用混合多相流的空化模型和大渦模擬模型，選擇PISO壓強速度耦合算法和一階迎風格式進行計算。定義主相為液壓油，密度為780 kg·m-3，粘度為 0.0024 kg·m-1·s-1；次相為空氣，密度為1.225 kg·m-3， 粘度為1.789×10-5kg·m-1·s-1；主相與次相的轉(zhuǎn)換滿足cavitation模型。數(shù)值模擬采用壓強入口、壓強出口以及無滑移標準壁面函數(shù)邊界條件。

2 仿真結(jié)果分析

選取節(jié)流口開度為0.02 mm時，對二維閥先導級在空化條件下進行分析。通過過渡流道軸線并垂直于進口流道軸線的流體面為分析面[5-6]。

2.1 空化流致噪聲分析

圖1為分析面的壓強、速度矢量和流線、氣體體積分布。如圖1所示，由于二維閥先導級節(jié)流口的節(jié)流作用，節(jié)流口下游區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低于閥內(nèi)液體飽和壓強的低壓區(qū)。從壓強分布圖可以看出：節(jié)流口上游的閥芯部分為高壓區(qū)，下游的低壓區(qū)出現(xiàn)在閥套斜槽內(nèi)。這一低壓區(qū)的存在會使液體中原有的氣核成長為氣泡[7]。當這些氣泡被流體帶到高壓處時潰滅，將釋放巨大的脈沖壓強，脈沖壓強反復沖擊閥的表面，就會發(fā)生空化現(xiàn)象。在發(fā)生空化后，通過節(jié)流口的高速流體射流強度增強，說明空化的發(fā)生對閥內(nèi)流體的流動影響很大。從氣體體積分布圖可以看出，斜槽內(nèi)的旋渦旋向改變時，通過節(jié)流口的高速射流加劇了空泡的聚集，而空泡在匯集過程中又會使空化區(qū)的流體流動變得更加復雜[8-11]。

2.2 空化噪聲分析

空化條件下，二維閥先導級各監(jiān)測點空化噪聲頻域特征如圖2和圖3所示。從圖2的聲壓曲線可以發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測點的聲壓曲線走勢大致相同。在200 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)域聲壓級數(shù)較高，能量較大；在200 Hz以外的區(qū)域聲壓級數(shù)較低，能量較小。在0～200 Hz，聲壓曲線下降很快；在200 Hz之后，聲壓曲線基本趨于平緩，變化幅度較小[12]。聲壓級最終穩(wěn)定在120 dB。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，空化條件下，二維閥先導級的空化噪聲集中在200 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)域。5個監(jiān)測點中，p3點的頻譜特性與其余4點不同。它除了在200 Hz內(nèi)密集的聲壓頻率外，500 Hz處出現(xiàn)了明顯的次頻，說明該點所反映的距離節(jié)流口最近的閥套斜槽區(qū)內(nèi)側(cè)壁面積聚了更多的湍動能，所以貢獻了更高頻次的聲壓波[13-14]。

3 結(jié)論

采用FLUENT軟件，聯(lián)合Lighthill聲類比理論，對二維閥先導級非定常空化流動進行了數(shù)值計算，預測了空化條件下的噪聲效果，得到了如下結(jié)論：

（1）空化條件下，空化氣團的聚集影響了閥內(nèi)流體的流態(tài)，加劇了高速射流的流速，其中空化噪聲是主要的噪聲源；

（2）聲能量密度集中在200 Hz以內(nèi)，在200 Hz外聲壓曲線基本趨于平緩，聲壓級穩(wěn)定在120 dB，聲壓頻帶變寬。