阀口高速流动中的气穴观测与流场分析

傅　新,杜学文

Cavitation Observation and Flow2field Analysis of High2speed Flow

inside Throttling Groove

FU Xin,DU Xue2wen

(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州　310027)

摘　要:通过高速摄像和压力分布测量等方法从实验和仿真两方面对节流槽内高速流动中的气穴现象进行了研究,并建立了槽内流动模型。研究发现,节流槽内由于高速流动和流体脱离而产生的低压区是造成气泡流产生的根本原因,压力分布对气穴与噪声特性有直接的影响,节流槽结构通过压力分布决定了气泡的尺度大小和成长过程。该研究对于建立基于流场仿真预测阀口气穴的方法,以及对液压元件的噪声控制具有重要价值。

关键词:节流槽;压力分布;气穴;噪声

中图分类号:TH137.5　文献标识码:B　文章编号:100024858(2006)0720029203

0　前言

非全周开口滑阀是液压阀基本结构形式之一,即在滑阀凸肩圆周上均布不同形状的小槽及其组合形式,如三角槽、矩形糟、半圆槽等,一般用于节流控制。工作时液压油从高压部分经过节流口流向低压时,流速急剧加快,收缩面处的压力迅速低于空气分离压而产生气穴。由于流道尺寸小、工作压差大、阀口流速高,使得从气泡微观层面上研究液压元件中的气穴现象非常困难。

对于狭小流场内高速流动中气穴噪声问题, Frank[1]对滑阀内气穴流与压力波动间的关系进行了研究。B.Umesh[2]研究了超音速冲压喷射装置中不同长径比(L/D)的孔内气穴噪声及振动问题。U ENO[3]研究了溢流阀流道结构对噪声的影响并进行了流场仿真。文献[4]用高速摄像的方法观察了射流放水阀内的旋涡空化现象。国内外研究都表明液压流道内部结构及流动参数的变化所导致的气穴与噪声之间的关系一直是普遍关注而未能根本解决的问题,而对于狭小孔隙流场内部的高速流动现象,流场变化非常复杂,用一般的理论方法很难直接解析,必须借助仿真及实验手段深入流场内部进行研究。

本文对节流槽的一种结构(V形槽)在流入阀腔时阀口压力分布,气穴形态和噪声的相关关系进行了研究,研究结论对于液压阀的噪声控制具有重要的作用。1　节流槽流动模型

V形槽是由加工刀具回转中心位置、刀具夹角、阀芯直径所唯一确定,但是这些参数描述V形槽不够直观,而且参数太多。从V形槽的对称面上看,V形槽是底边为圆弧的楔形。在本文中,节流槽长度和阀芯直径保持不变,取楔形角W、节流槽夹角D两个特征参数,可以直观地描述V形槽的形状大小。V形槽的楔形角定义为V形槽底边端点连线与阀芯轴线的夹角。

V形槽是由加工刀具回转中心位置、刀具夹角、阀芯直径所唯一确定,但是这些参数描述V形槽不够直观,而且参数太多。从V形槽的对称面上看,V形槽是底边为圆弧的楔形。在本文中,节流槽长度和阀芯直径保持不变,取楔形角W、节流槽夹角D两个特征参数,可以直观地描述V形槽的形状大小。V形槽的楔形角定义为V形槽底边端点连线与阀芯轴线的夹角。

图1中标注出了节流槽过流面积A10、A1、A2,x 为阀口开度。在流入阀腔时,阀芯凸肩上的节流槽进行节流控制,液流由高压经A2→A1→A10到回油腔

。

　收稿日期:2006204208

　作者简介:傅新(1961—),男,四川内江人,教授,博士,主要从事流场可视化流体振动及流动噪声控制等方面的研究。

2　气穴噪声测量

2.1　测量系统

对于气泡流可视化观测试验,模型阀由透明有机玻璃(PMMA)制成,内流道尺寸与原型阀相同,以便内部流场的变化更接近真实流动情况。孔隙过流面积可通过阀芯前后移动的距离来调节,内部压力分布测

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2006年第7期液压与气动