阀口高速流动中的气穴观测与流场分析
傅 新,杜学文CavitationObservationandFlow2fieldAnalysisofHigh2speedFlowinsideThrottlingGrooveFUXin,DUXue2wen(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)07200292030 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。UENO[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。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922006年第7期液压与气动量及实验装置的布置图见参考文献[5]。数据采集系统中,用高速摄像机(Fastcam2UltimaAPX)和噪声频谱分析仪记录气穴图像和噪声。摄像机最高拍摄速度可达120,000幅/秒。由于阀口气泡速度极快,为了能拍摄到空化的瞬间形态并防止出现模糊影像,需要极快的拍摄速度,因而需要高强度照明。采用了一金属卤化物无频闪光灯,并配有专用高频稳流电源,用高倍聚光镜将光线汇聚到阀口处。调节镜头光圈和曝光时间使图像获得最好的清晰度和亮度值。在实验中,高速摄像的拍摄速度取24,000幅/秒,噪声频谱仪距被测阀体50mm,实验环境本底噪声值基本保持50±5dB,工作油温35±5℃。2.1 测量结果流动显示及噪声测量取入口压力为3MPa,在不同阀口开度和背压下进行测试。高速摄像采用10倍放大率模式,阀口液流最高速度达60m/s左右,观测结果如图2所示。当背压很低时(0.05MPa,图2a),节流槽内气穴非常剧烈,由于孔口流线转折所形成的射流收缩断面和流体脱离,会使节流边后部出现一狭小真空区段,液流经过时压力迅速降到饱和蒸气压以下而产生大量气穴;由于背压低,沿流动方向气泡继续生长,从而在整个阀腔内部形成泡线。阀口开度较小时噪声值较低,随着开口增加声级有所增加,继续增加开口度声级有所降低。随着背压的升高,不同开度下气泡流剧烈度迅速降低,气穴始发区由整个节流边移至槽口两侧边壁的锐缘区附近,并在槽口后部阀腔内形成微小的气泡流线。当背压增至某一值时(0.4MPa,图2b)噪声声级达到最高,并随着阀口开度的增加而有所增加;继续增大背压,气泡流强度减弱直至消失,噪声声级接近于本底噪声。
3 流场压力仿真用FLUENT软件对阀内流场进行解析。测量及流场仿真中主要参数取值为:进口压力3MPa,出口压力0.98MPa,油液密度ρ为889kg/m3,运动黏度ν为4×10-5m2/s,采用RNGk2ε紊流模型。图3给出了V形节流槽在流入阀腔情况下的壁面压力分布曲线,流场仿真与实测结果吻合良好,两者互相验证。小阀口开度下(x≤2mm),油液从阀腔流入节流孔时,流束急剧收缩,速度梯度迅速增加,从过流面A2流经A1的过程中,流线转折,在高流速下节流边后部极易出现流体脱离而成为阀内压力最低区。随着阀口开度的增加,孔隙内沿程阻力逐渐消失,薄壁孔特征趋于明显,当背压较高时,在节流边后部出现压力超调,对气穴的成长起到一定的抑制作用。
图3 阀腔压力分布仿真及实验结果图4给出了节流槽的速度矢量及静压等值线。液流经A2面流入阀腔时,在节流边处由于流体脱离壁面,出现最低压力,在槽底面的导向作用下,流束贴着节流槽壁面流入阀腔;由于流束下方没有壁面约束,流束有所扩散、速度逐渐降低;流束的下方及前后都有回流,这是由于在阀腔内流束速度大的位置压力较低,周围液流在压差作用下进行补充的结果。
图4 速度失量及静压分布图03液压与气动2006年第7期
图5
节流槽流动模型4 节流槽流动模型对于V形槽的流动,利用剪切流及压差流原理建立其流动模型(图5)。由于流线不能转折,在壁面A处将会出现流体脱离壁面,出现负压区。取图5所示的楔形控制体积ABC。阀口流速v相当于楔形体的AC边运动,由于油液具有较大的黏性,AC边的流速引起剪切流,引起流出楔形控制体的流量qc;A点的压力可以假设是一种极端情况即绝对零压,则在背压p2的作用下,有压差流动,产生流入楔形控制体的流量qP。如果qc>qP,则控制体中总体压力升高,A点也升高,可以抑制气穴。而qc 5 结论(1)压力测量及仿真同时表明,高压油流经过节流孔时,由于流束骤缩和流线转折,在节流边后部会产生流体脱离而出现最低压力区,该区与高速观测的气穴初生区重合。(2)高速观测发现,背压较低时,气泡从整个节流边始发并充满整个阀腔;随着背压升高,气泡流发育区变短,因而粒度减小,大量气泡在阀腔内部溃灭,噪声出现峰值,之后随着背压升高噪声值线性降低;气泡初生区移至两侧边壁与节流边相交的锐缘区附近。(3)节流槽压力分布及气穴发育与阀口形状关系密切,可以通过优化节流槽结构及多级分压的方法减小入口处的压力梯度,从而得到更好的控制气穴噪声的效果。 参考文献:[1] FrankR.,SiegfriedH.Basicinvestigationofcharacteristicsofflowandnoiseforoil2hydraulicvalves[R].Tampere,Finland:Proceedingsofthe8thSICFP’03,2003:565-575.[2] B.UmeshChandra,S.R.Chakravarthy.Experimentalin2vestigationofcavity2inducedacousticoscillationsinconfinedsupersonicflow[J].JournalofFluidsEngineering,2005,127:761-769.[3] HisanoriUENO.Noisemeasurementandnumericalsimula2tionofoilflowinpressurecontrolvalves[J].JSMEInterna2tionalJournal,seriesb,1994,37(2),336-341.[4] 王国玉,等.高速水流中旋涡空化所引起的空蚀和振动[J].工程热物理学报,2002,23(6):707-710.[5] 冀宏,傅新,杨华勇,等.非全周开口滑阀压力分布测量研究[J].机械工程学报,2004,40(4):99-102.基于力学分析的蓄能器数学模型建立及实验研究孔祥东,权凌霄,姚 静,阚 超,康双琦,宋孝臣AccumulatorismodeledonitsstressingmodelandexperimentsresearchKONGXiang2dong,QUANLing2xiao,YAOJing,KANChao,KANGShuang2qi,SONGXiao2chen(燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛 066004)摘 要:蓄能器的数学模型是研究蓄能器性能的关键,该文基于皮囊式蓄能器受力模型,分析建立了皮囊式蓄能器的数学模型,结合蓄能器吸收压力冲击的功用对数学模型做了理论分析,然后通过大量的实验对理论结果做了验证。关键词:蓄能器;数学模型;充气压力;充气容积中图分类号:TH137 文献标识码:B 文章编号:100024858(2006)07200312041 前言图1a为皮囊式蓄能器的物理结构,主要由耐压壳体、弹性气囊、充气阀、菌形阀、进出油口等部分组成。 菌形阀在充气时或者系统压力骤然下降时能自动关 收稿日期:2006204208 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575196) 作者简介:孔祥东(1959—),男,河北秦皇岛人,教授,博士,主要从事液压技术方面的科研和教学工作。132006年第7期液压与气动
