閥芯間隙固液兩相流動特性及卡滯機理

林振浩, 聶家熙, 華霆鋒, 金志江, 錢錦遠

(浙江大學 化工機械研究所, 浙江 杭州 310027)

引言

閥芯作為閥門控制介質流動方向和流動截面積大小的關鍵部件,決定著流動介質的流量、壓力等參數的調節和控制[1]。然而,當閥芯受到過大的阻力時,閥門的響應時間增加,動作遲緩,甚至導致閥芯出現卡滯。值得注意的是, 當流體中混入外部污染顆粒或自身磨損產生的固體顆粒時[2],容易隨著流體進入閥芯配合間隙中,從而導致閥芯發生卡滯甚至卡死,嚴重威脅整個系統的穩定性和安全性。尤其以液壓閥卡滯故障報道最多,例如在液壓系統中由液壓控制閥卡滯所引起的故障占推土機液壓系統總故障的22%左右[3]。值得注意的是,在液壓系統中,大約有70%的故障是由油液污染引起的,其中固體顆粒引起的故障占總污染的60%～70%[4]。因此,本研究以液壓滑閥為研究對象,著重探討污染顆粒引起的閥芯卡滯現象。

污染顆粒隨流體進入閥芯配合間隙后,部分顆粒隨著流體流出間隙,部分存留于配合間隙中。因此,對污染顆粒的流動特征分析是十分重要的。范家輝等[5]分析了綜合傳動定壓滑閥配合間隙內顆粒的流動特性和泄漏量變化規律,建立了泄漏量與顆粒濃度的預測公式。趙春玲等[6]分析了U型槽、矩形槽和三角形槽對液壓閥配合間隙內固體顆粒濃度分布的影響,發現帶有圓角的三角形槽的流動更加流暢,藏污能力強。薛殿倫等[7]分析了閥芯閥套間隙熱變形后含污染顆粒的油液在間隙中的流動和卡滯情況。徐瑞等[8]基于歐拉模型研究了顆粒直徑對配合間隙內顆粒分布的影響規律。范帥等[9]使用NAS計數法計算污染油液中顆粒分布規律,尺寸為5～15 μm的顆粒占總數的97.3%。TERRELL等[10]提出了一種預測材料磨損顆粒的運動學軌跡模型,并將計算預測結果與其他研究者進行的實驗數據進行了比較,驗證了預測模型的正確性。

配合間隙內污染顆粒的存在,使得閥芯產生較大的卡滯力,進而影響閥芯的運動性能。周正[11]對大量實驗數據進行分析,確定了閥芯卡滯力達到最大值的“敏感顆?！敝睆?。褚淵博等[12]分析了污染顆粒特征參數對偏導射流式壓力閥卡滯摩擦力的影響規律。陳大為等[13]研究了滑閥密封間隙內顆粒特征參數對閥芯摩擦力的影響。劉志強等[14]研究了滑閥配合間隙的敏感間隙范圍,在該敏感間隙范圍內閥芯的卡滯力最大。以上研究大多是液壓閥卡滯的理論、定性研究,較少關于閥芯卡滯力定量化的分析。

本研究以典型的液壓滑閥為例,基于歐拉-歐拉固液兩相流模型,分析閥芯閥體配合間隙內污染顆粒固液兩相流動特性及閥芯卡滯規律。建立閥內跨尺度流域并獲得配合間隙的邊界條件,計算獲得跨尺度流域內的流動特性。建立帶有均壓槽的配合間隙流域模型,分析顆粒特征參數(顆粒濃度、顆粒直徑)對配合間隙內顆粒分布及閥芯卡滯力的影響規律,為減小閥芯卡滯措施的研究提供參考。

1 數值模型

1.1 歐拉模型

本研究以含污染顆粒的油液為介質,采用歐拉-歐拉模型求解閥內及配合間隙內固液兩相流動。在計算流體動力學中,歐拉-歐拉模型常用于求解多相流動及相間的相互作用,其計算精度相比于混合模型更高[12]。

歐拉模型中第k相的連續性方程為：

(1)

歐拉模型中第k相的動量方程為：

(2)

p—— 各相共享的相同壓力

(3)

式中,μk,λk—— 第k相的剪切黏性系數和體積黏性系數

由連續性方程可得到每一相的體積分數方程：

(4)

式中,ρk為相參考密度,即流域第k相的體積平均密度。

1.2 計算域和網格

在液壓閥中,以滑閥最為常見,如圖1所示,本研究的滑閥主要由閥芯和閥體組成,閥芯上開設多個均壓槽,閥芯沿軸向運動實現啟閉。由于流域的對稱性,在不考慮閥芯配合時的偏心、傾斜及倒錐等情況的影響,將滑閥模型簡化成跨尺度的二維流域模型,包括閥腔內的流域和配合間隙的流域。在跨尺度流域模型中省略了間隙內的均壓槽,如圖2a所示。同時,為了引入配合間隙內的橢圓型均壓槽,單獨建立了帶均壓槽的配合間隙流域模型,如圖2b所示。

圖1 液壓滑閥幾何模型

圖2 計算模型

圖3 流域網格劃分

對流域進行離散化時, 單元格為四邊形結構化網格?？绯叨攘饔虻拈g隙網格進行細化和過渡,總體網格數量為41000。帶有均壓槽的配合間隙流域間隙為20 μm,因此網格尺度給定5 μm,間隙網格層數為4層,網格數量為19576。

1.3 邊界條件及計算設置

流體介質為含污染顆粒的油液,閥內流動為固-液兩相流。假設流體為不可壓縮、恒定流動牛頓流體。第一相為油液,密度ρ為900 kg/m3,動力黏度μ為0.0405 Pa·s;第二相為理想球體的固體顆粒,密度為ρ為7500 kg/m3,動力黏度μ為10-5Pa·s。在歐拉模型中可設置不同的顆粒直徑,本研究中選取3～18 μm 的顆粒間隙。對于跨尺度流域的邊界設置,入口采用壓力進口p1為10 MPa,同時進口設置為不同的顆粒濃度(即顆粒體積分數),本研究選取顆粒體積分數1%,3%,5%,7%。閥腔流域的出口采用壓力出口p2為9 MPa,配合間隙流域的出口采用壓力出口p0為0。壁面采用無滑移條件。歐拉模型中,固-液兩相之間曳力函數選擇Syamlal-o’brien。Phase interaction中的Drag選Schiller-naumnn,Lift選擇none即不分離相。采用標準k-ε湍流模型。

在帶有均壓槽的間隙流道計算中,根據雷諾數的計算,其遠小于同心環狀縫隙的臨界雷諾數,故流體在間隙流動為層流,黏性模型采用Laminar模型,進口壓力采用跨尺度流域計算得到的壓力p3,出口壓力為p0。顆粒直徑和顆粒體積分數設置與跨尺度流域邊界設置相同。

2 結果與討論

2.1 顆粒跨尺度流動分析

圖4顯示了顆粒直徑為3 μm、進口顆粒濃度3%的流場云圖。可以看出,油液流經節流口時,流速急劇增加,在此處形成高速射流,最高速度大于50 m/s,同時壓力減小。這是由于在節流口處流域截面突然變小,節流面積減小。油液經過節流口后,在射流與壁面之間形成旋渦,如圖4b所示。由配合間隙流場放大圖可以發現,間隙入口處的壓強為8.56 MPa,通過配合間隙逐漸減小至0。

圖4 跨尺度流域流場云圖

在間隙中油液以緩慢的速度向外流動,間隙進口速度小于5 m/s,然而在節流口處最大速度大于50 m/s。因此,在跨尺度流域中壓力和速度產生劇烈變化。在油液黏性作用下間隙尺寸較小導致流體質點之間以及流體質點與壁面之間產生摩擦,增加了沿程損失。同時由于流經節流口后進入配合間隙,其流域尺度發生急劇變化,導致流體質點間以及流體質點與壁面之間的撞擊加劇,引發較大的壓力損失,增加了局部損失。

提取間隙中心線上的顆粒體積分數,圖5是進口顆粒濃度3%時污染顆粒直徑與配合間隙內顆粒體積分數φ的關系圖。從圖中的放大云圖可知,配合間隙內的顆粒分布不均勻,中心區域的顆粒體積分數比壁面附近的高。這是因為黏性作用使得壁面存在摩擦力,導致中間區域的速度比壁面附近的速度大。從曲線可以看出,配合間隙內的顆粒體積分數均高于0.03,存在顆粒聚集現象,特別是間隙入口處。沿著流體流動方向,顆粒體積分數呈下降的趨勢。隨著顆粒直徑的增大,配合間隙內顆粒體積分數逐漸增大。這是因為隨著顆粒直徑的增大,同樣顆粒數量和密度下所占用的空間體積也越大,其顆粒質量和慣性越大,在渦流和壓差作用下更加容易進入間隙。

圖5 不同顆粒直徑下間隙顆粒體積分數分布

2.2 顆粒直徑對間隙流動的影響

為了更加深入的研究顆粒進入間隙后的分布情況,選取了帶有均壓槽的間隙模型進行仿真計算。以間隙進口的中心為原點建立坐標系,提取間隙中心線上的顆粒體積分數,如圖6所示。圖6顯示了進口顆粒濃度為3%時不同顆粒直徑下配合間隙內的顆粒體積分數的變化曲線。以顆粒直徑3 μm為例,油液進入第一均壓槽前的間隙內顆粒體積分數為進口設定值0.03,而后面相鄰均壓槽之間的間隙內顆粒體積分數約為0.0302。這是因為進口壓力較高,第一段間隙的進出口壓差較大,如圖7所示,顆粒在壓差的作用下隨著油液進入第一均壓槽,沿著流動方向,壓降降低,部分顆粒在間隙內發生滯留。從圖6中可知,均壓槽內的顆粒體積分數最高,且隨著顆粒直徑的增大峰值也增大,這是由于油液進入均壓槽時,流道變寬,流速減小,在均壓槽處顆粒滯留。沿流動方向,不同的均壓槽內的峰值也不同,從第一均壓槽到第四均壓槽,其峰值是增加的。

圖6 不同顆粒直徑下帶均壓槽間隙的顆粒體積分數

圖7 顆粒直徑3 μm、顆粒濃度3%時的間隙壓力分布

2.3 顆粒特征參數對閥芯卡滯力的影響

含不同顆粒直徑的油液在配合間隙流場過濾下,污染顆粒體現出不同的聚集效應,從而影響閥芯卡滯力f(即閥芯表面摩擦力)。通過Fluent中的后處理提取并計算了不同顆粒體積分數和顆粒直徑下的閥芯卡滯力。圖8是不同顆粒濃度下閥芯卡滯力隨顆粒直徑的變化圖。從圖中可知,隨著顆粒直徑的增加,閥芯卡滯力呈現先增大后減小的趨勢。當顆粒直徑在12 μm時,閥芯卡滯力達到了最大值,顆粒在9～15 μm時,顆粒閥芯卡滯力較大。因此,當配合間隙為20 μm時,定義顆粒直徑12 μm為“敏感顆粒直徑”,此時產生的閥芯卡滯力最大。隨著顆粒濃度的增加,閥芯卡滯力也在增大,尤其在顆粒濃度為7%時,“敏感顆粒直徑”為9 μm。顆粒直徑為12 μm時,1%顆粒濃度時閥芯卡滯力為4.792 N,而顆粒濃度增加至7%時,閥芯卡滯力增加至4.798 N。閥芯卡滯力過大容易造成滑閥的卡緊甚至卡死。

圖8 閥芯卡滯力隨顆粒直徑的變化曲線

3 結論

本研究以典型的液壓滑閥為例,基于歐拉-歐拉固液兩相流模型,分析閥芯閥體配合間隙內污染顆粒固液兩相流動特性及閥芯卡滯規律。分析了跨尺度流域內含污染顆粒的油液流動特性。油液流經節流口時,由于節流面積變小,流速增大,在節流口處出現射流現象。油液從閥腔流域到間隙流域過程中,壓力和速度產生劇烈變化。配合間隙內的顆粒體積分數均高于0.03,存在顆粒聚集現象,特別是間隙入口處。隨著顆粒直徑的增大,配合間隙內顆粒體積分數逐漸增大。同時,研究了顆粒特征參數(顆粒濃度、顆粒直徑)對配合間隙內顆粒分布及閥芯卡滯力的影響規律。均壓槽內的顆粒體積分數最高,且隨著顆粒直徑的增大峰值也增大。從第一均壓槽到第四均壓槽,均壓槽底部的顆粒體積分數逐漸降低。隨著顆粒直徑的增加,閥芯卡滯力呈現先增大后減小的趨勢。當配合間隙為20 μm時,顆粒直徑為12 μm時的閥芯卡滯力最大,為敏感顆粒直徑。閥芯卡滯力隨隨著顆粒濃度的增加而增加。