插装式溢流阀流体自激振荡仿真研究
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doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2019.01.006插装式溢流阀流体自激振荡仿真研究陆亮，祝富强，阊耀保(同济大学机械与能源工程学院，上海201804)摘要：插装式溢流阀被广泛的应用在挖掘机等工程机械中，经常需要面对高压大流速的工况，再加上其 通常被安装在具有凹腔的流道结构中，很容易产生流体自激振荡现象，针对这种现象进行了仿真研究。
首先对插装阀阀口凹腔建立简化的几何结构，划分局部加密的网格，然后使用RNG模式的'-e模型和Cupled算法对插装阀阀口流动进行可压缩的、流动-压力耦合的仿真，对插装阀阀口流动特性进行研究。
对仿真结果进行后处理，发现在125 m/s的流速环境中，有璇涡从凹腔前壁周期性地脱落，通过璇涡脱落频率估算自激振荡主频，与Rossitei•半经验频率公式领测值进行对比，仿真结果与领测值基本一致。
同时通过在凹腔底部设置监测器监测压力信号，发现腔底存在伴随涡流发生的压力脉动现象，腔底压力波动频率与估算的自激振荡主频非常接近，在一定程度上说明流体自激振荡导致的凹腔内质量传递，同时也能诱发凹腔的压力脉动。
关键词：插装式溢流阀；流体自激振荡；可压缩仿真中图分类号:TH137文献标志码:B文章编号:1000-4858(2019)01-0032-05Simulation Research of Self-sustained Oscillation for Cartridge Overflow ValveLULiang,ZHUFu-qiang,YINYao-bao(College of Mechanical and Energy Engineering，Tongi University，Shanghai 201804)Abstract:A cartridge overflow valve is widely used in engineering machinery like excavators.It h condition of higli pressure a nd large flow^velocity，and it is usually installed in a channel structure with a concavecavity，which makes it very easy to produce the phenomenon of self-sustained oscillation.Firstly，a simplifiedgeometric structure of valve port is built，and a locally encrypted grid is divided.Then，we simulate the flow of valveport in a compressible and flow-pressure coupled way by a model of RNGmode and coupled algorithm images showthat at a flow velocity o f 125 m/s，vortices appear and break away from the upstream wall of cavity periodically.A main frequency of self-sustained oscillation is estimated by analysis o result is basically in agreement with the predicted value of the Rossiter semi empirical frequency f we find a pressure fluctuation along with the vortices'movement at the bottom of the c monitor.The frequency of pressure fluctuation is very close to the main frequency of sel-sustai indicates that the mass transfer caused by fluid self-sustained oscillation can also be the reason of pressure fluctuation.K e y words：cartridge overflow^valve，self-sustained oscillation，compressible simulation收稿日期:2018-1-05基金项目：国家自然科学基金(51605333)作者简介:陆亮（1983—），男，江苏南通人，助理教授，博士，主要从事激振流体力学理论、航空伺服、海上风电机电液控制技术研究。
引言在挖掘机等工程机械的液压回路里，插 溢流阀种很常见的液压 ，通 用 全阀，来承载压力。
插 溢流阀在应用 的同时，也出现了工程问题，比较显著的有两点：①芯在压力作用下打开时，由于流动出口较小，会 强的节流效应，从而诱发空 气蚀等 #②溢流阀的核心部芯-弹簧，这种 在受 压力波动的时，振动，诱振动导致溢流。
学 针对这两 经 研究改良。
另外，随 掘机等工程机械的 升，其液压回路的压力可以达到数十兆帕，对应的流量 达到每分上百乃至数百升。
在这种工况下，插 溢流 口的流 达到数每秒十乃至上百米，马赫数接近0.1甚至更高。
在这种工况下，高液流经凹腔时会造成剪 的高 动，并撞击 壁 向上动的 。
剪 动与反向 还会更强烈的自持振荡，学术界称为流体自激振荡 现象&1'。
于这种现象提出的最经典的理论是1964年，ROSSITER&2'在研究 时提出了凹腔自激振荡半经验频率公 ，如图1所示。
声波图1 Rossiter的波涡耦合理论模型Rossiter认为涡流在这 程中扮演着重 ，并将其机理解释为:高流场经过剪分离处时与凹腔内流体 剪切，向下 动的涡流。
涡流撞击到凹腔后壁，向传播的反馈 ，声波到达前壁再次激 流，流的 调制。
如此循环 ，凹腔内的自激振荡。
Rossiter针对自己的理论模型提出如下经验公式：2! &2! &2% 2!7*1*C7 % 1，2，3，…⑴kv K j ~ *1 ~*C ⑵其中，设向下游传播的涡流波长为*1，向上游传 的长为*K。
/为 ，〃和K分别为自流流 # =为 尔哈数为马赫数;'为涡流流速与自由流流速的比值。
@为腔长；$为相 滞后；7为模 ，即自激振荡的 。
Rossiter的模型奠定了流体自激振荡研究的基础，后续的研究大多在修正、补全Rossiter模型的基础 。
针对液压 的流体自激振荡研究开始较晚，1986年，BALDWIN和SIMMONS&3]指出在具有分支的 道 中，气动溢流 会 ，学共振。
1997年液压阀公司SUN&4'针自己设计的Counterbalance Valve进行了仿真实验，并指出阀内产生的啸叫 的共振 。
SUN的仿真 针对的是气动溢流阀，而现在工程机械中 应用的插 溢流阀通常在液压环境中工作。
液压 比于气动 ，马赫 低一些，但流动 度更大，来的质量惯性效应也更大。
插 溢流 在液压 中的自 激振荡会 来怎样的 ，值得 研究。
1插装阀典型结1.1插装阀的典型凹腔流动结构插 通 在 块上，其基本结构如图2所示。
图2中圈所标识的插 块中常见的，体 道与横向流道 “主流流道-凹腔”的，这 与凹腔自激振荡经[论中的“自流-凹腔”十分相似，诱自激振荡现象。
1&研究用插装阀参数为了使仿真 工程 ，特别选取真实的插为仿真 设计参考。
某型号的插装先导式溢流阀为选取结果，如图3所示。
图3仿真参考插装阀结构示意图型号的插 与仿真相关的 参数为:最大流量75. 8 L/min，油直径10 mm，这些数据作为仿真 物模型建立参数设置的参考。
插 先导式、锥型的溢流阀，通用作安全阀，与 控制 为压力控制阀。
这种溢流阀在工程机械、搬机械业机械上都应用。
2数值仿真2.2仿真方法及设置CFD仿真中默认液体为不可压缩流体，流体自激振荡 的现象，液体的可压缩性：考虑进去[5_7]。
使用Fluent的可压缩液体模型，设置流体介质的各项参数如表1所示。
表1仿真实验介质参数参值参考压力/MPa0.1密度/kg , m_3889弹性模量/MPa1000黏度/P a ,，0.04在可压缩模型下，使用XNG模式的'j计算模 型，这种模型的 方程为％2.1 流场物理模型截取 凹腔与横向流道组成的 为流场的物模型，自激振荡现象 在这一部分 中，如图 4 示。
70i30雇10 ,' dx>图4流场物理模型流道 ，不 两侧对称，取中间横截面作为近似 ，二维仿真，二维网格划分如图5示。
与传统的流体自激振荡研究不同，插 凹腔外部的并不是自由流场，而 道流动，管壁流动存在限制。
凹腔 的，包括凹腔内部和凹腔外部延 壁的这部分都是研究流动现象的重要区，这一区 加密。
剪 壁面处也是流体自激振荡现象的重要区域，加。
是由层流速度梯度而产生的揣流动能；Nb是 浮力而 的湍流动能；〇是在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动；c u，c2(和1是常量；$和$ '方程和2方程的湍流Pmndtl数，=k=( 用户 定义源项，采用Fluent内置的默认值。
于'J模型 经验公式，某些情况下为了更好地与真 果契合，在UDF文档里修改乂和=< 的数值，以达更好的模果。
比起标准'J模型，RNG模式的'j模型考虑了湍 流中的漩涡，在这方 度更高，并且更壁面的-0.20lt/s图7腔底压力波动期约为90长。
流频率即涡脱落的频率，可以得到涡流的仿真频率：由于当上一个涡撞击到后壁的时候，下一个涡刚 从前壁 ， 周期内在剪 会出现2， 估出Xossiter 理论中的涡流波长A #在本 例中约为凹腔长度@的 ， 流的流速为：kv v % 26 ) 55. 6 m /s进而得到：kA ) 0. 44而滞后a —般取0. 25&8]，分析涡的运动过程得到这个凹腔的 动 应的自激振荡模态7为2， 通 （3) 得到自激振荡的声学：/= % f • m 7+~# 〇：' ) 9.2 + 103 Hz % 0.95 + 104 HzRossiter 理论中假设乂 =/。
，而计算结果是乂略大于/。
，可认为两者近似。
