锥阀阀口空化瞬态周期性及效应的数值模拟

【摘要】：液压锥阀具有结构简单、密封性好、抗污染能力强等特点而成为液压阀中最常见的阀结构形式之一。在锥阀工作过程中,阀口空化及其振动、噪声等伴生现象经常发生,成为诱发液压系统振动、噪声、发热及稳定性问题的重要根源之一。锥阀阀口空化是一种高速瞬变流动现象,其复杂性导致该现象仍有待深入研究,目前实验研究也仅能解释其部分机理,而数值模拟可以克服实验局限性。本文运用多相流数值模拟技术和理论分析,对锥阀阀口在节流、溢流工况下瞬态空化流动进行了深入研究与总结。本文主要研究工作有:采用湍流粘度修正RNG模型和湍动能修正Zwart空化模型,解析了锥阀阀口节流工况瞬态空化流动,研究结果表明:锥阀阀口周期性空化流动由空泡初生、发展、溃灭三个阶段构成,空化的周期频率为1182Hz,其中发展阶段约占整个周期的81%,空泡完全溃灭时产生的压力波动最高可达4MPa;空化发展阶段促进阀口流速提高,空泡溃灭降低阀口流速,因而周期性空化质量流量波动量最高可达均值的41%;速度漩涡及其产生的湍动能是空泡运移的重要条件,正反向射流区交界处的湍动能促进了大尺度空泡的发展;空泡完全溃灭时,阀芯表面力从33N变化到116N。研究了湍流方程粘度修正函数幂指常数项n和油液粘度对锥阀阀口节流空化周期频率大小的影响,研究结果表明:幂指常数项n的取值和油液粘度不仅会影响阀口空化形态,而且对空化周期频率有显著影响。当n≤2时,锥阀阀口的空化为非定常、非周期性空化,当4≤n≤30时空化周期频率将会从400Hz增加到1200Hz;当2≤n≤30,计算域气体体积分数降低36.4%,质量流量降低4.1%,阀芯表面力波动峰值从34.6N变化到124N;当n取10,油温从10℃增加到70℃,空化周期频率从400Hz增加到1100Hz,阀芯表面力波动峰值从29N变化到110N;并非所有的周期性空化都会引起大幅度的压力脉动,只有在空泡完全溃灭的情况下才会引起流场压力大幅度波动。当锥阀处于溢流工况时,流场内的空泡流动将变得极其复杂,空化的初生位置不再局限于阀芯或阀体表面,漩涡处也会有空化的初生,空泡流动不仅包括初生、发展和溃灭,而且还伴随着空泡的合并与分裂;依据空化初生位置讨论了阀座结构对阀口空化的影响,结果表明通过改变阀座结构可使空化气体含量降低20%,质量流量提高34.7%,周期频率从1182Hz降为1104Hz。