小开度节流阀流场特征及空化流动的数值分析

文章编号：1005 -0329(2016)07 -0014 -04^c c c c c c c c c c^f设计计算I!非全周矩形开口滑阀小开口度时流量及液动力特性研究杨科，金晓宏，肖鹏飞，唐文(武汉科技大学，湖北武汉430081)摘要：电液伺服阀作为液压控制系统的核心元件，其性能的好坏直接关系到控制系统的特性。

采用计算流体动力学 软件Fluent中动网格技术,对伺服阀滑阀阀口在0. 5m m开度内的流动状态进行静、动态仿真，研究其流量与液动力特 性。

从计算结果可以看出，阀口流量特性仿真曲线与理论曲线在趋势上基本相同。

阀芯所受稳态液动力仿真值与理论 值增长趋势基本相同。

仿真时，阀口开度按给定速度连续增大，阀口打开瞬时,瞬态液动力变化大；阀口打开后,瞬态液 动力变化不大,且瞬态液动力数值较稳态液动力小得多。

关键词：非全周矩形开口滑阀;小开口度;动网格;流量特性;液动力中图分类号：TH137 文献标志码： A doi： 10. 3969/j. issn. 1005 -0329.2016.07.004 Research on the Characteristics of the Flow Rate and Flow Force Through a Small Opening at the Spool Valve with Non-full Perimeter Rectangular Shaped OpeningYANG Ke,JIN Xiao-hong,XIAO Peng-fei,TANG Wen(Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081 ,China)Abstract：Electronic-hydraulic servo valve is a key component of hydraulic control system,and the characteristic of the control system is determined by the performance of the servo valve. The dynamic mesh of Fluent,software of CFD,is employed to calculate the flow of the opening of spool valve of the servo valve in the steady state and dynamic state in the range of 0. 5mm opening in or­der to get the flow characteristic and flow force. The results show that the theoretical curve and simulation curve of flow character­istic of spool valve are almost the same. The theoretical curve and simulation curve of steady-state flow force of spool valve have no difference in the shape. With the condition of the continuous increase of opening of spool valve at a given speed in the simulation, the transient-state flow force increases greatly at the moment when the valve just open and it has a little change at the left time. The transient-state flow force is much smaller than steady-state flow force.Key words ：spool valve with non-full perimeter rectangular shaped opening ； small opening ； dynamic mesh ； flow characteristic ；flow forcei前言近年来，越来越多的国内外学者采用计算流 体动力学（CFD)方法分析液压阀内部流体的速度 分布、压力变化、能量损失以及阀口的气穴现象…5]，目前研究工作主要集中在2〜5mm这一较大阀口开度的情形[6’7]。

四、高压节流阀件的研究节流阀是接在节流管线上，用控制节流阀通道大小来对液流造成阻力而生成回压，使井内流体在受控下流出的零部件。

在众多的阀门中，节流阀就是其中一种。

在压井施工中，节流阀是为了提高环空流动阻力而在循环通路的末端人为设置的一个流动障碍，流体流经节流阀时，产生一个适当的流动阻力，这个阻力通过流体传递到井底，以弥补不足的井底压力。

而当节流阀应用在节流管汇，其作用是控制流量，用于保持整个油气生产系统的压力。

可以说节流阀是节流系统的核心部件。

所以要解决节流系统在高压井中的井控问题，首先需要进行高压节流阀的研究。

为了实现对流体的控制，阀门一般应具备以下性能：即密封性能、强度性能、调节性能、动作性能和流通性能。

对于大多数阀门来说，密封问题是首要问题。

但对于安装在节流管汇、井口采油树或压井管汇上的节流阀等调节类阀，除了对密封和强度的基本要求外，其调节性能的优劣具有重要意义。

在塔里木油田现场，普遍使用的节流阀是针形阀，亦即锥形阀。

通过在现场的调研及实践，在锥阀的使用过程中，常出现许多对油气田生产不利的现象，如噪声大，阀杆振动，严重的甚至会造成阀杆断裂，阀座刺穿。

针对这种情况，进行高压节流阀的研究十分必要。

4．1 节流阀的流体力学及动力学理论分析4．1．1 管内流动粘性是流体的固有属性。

在油田现场的管道中的真实流动都是具有粘性的流动。

但是由于常见的液体和气体的粘性系数µ的数值很小，因而在速度梯度不是很大的流场中，粘性力相对于其它力而言为小量，故可不考虑粘性力的作用，从而可以假定为理想流体；但在采油井口的油气采输，管道输送以及压井施工中，由于在管道存在速度梯度很大的区域，则必须考虑粘性力的作用。

对于复杂的流动问题目前只有某些特殊问题，才可以完全用理论方法来求解，而大量实际问题如节流阀（复杂的三维非等截面弯管）中的流动则主要是依靠数值计算方法和实验的方法来求解。

由于实际实验的方法成本较高，故本文采用计算机数值模拟计算。

基于COMSOL液压节流阀内部流场数值模拟研究王海冰;王攀达;李文华;张子耀;李贝贝;刘秀梅【摘要】针对不同开度下U型节流阀内部流场的变化,基于软件COMSOL Multiphysics建立CFD数值计算模型,得到了节流阀内部流场的速度、压力分布等随着阀口开度变化的特性云图.研究结果表明:节流口处压力下降梯度较大,并出现局部低压区.阀内流体速度在经过阀口处急剧变化,阀口附近流速达到最大,并沿流体流动方向形成一个空心锥形高速射流区域.即流体出口端射流出射方向倾斜指向出口,另一过流面中流体出射方向指向阀座,并沿阀体壁面流动.此外,随着阀口开度减小,阀口处速度大小和阀口附近压力几乎不变,但是节流口流体出射方向角度变大.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】4页(P26-29)【关键词】节流阀;COMSOL;流体流动;射流【作者】王海冰;王攀达;李文华;张子耀;李贝贝;刘秀梅【作者单位】中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TH137引言节流阀在液压系统中起到流量控制等重要作用。

但是当阀内流体与过流部件发生高速相对运动时，极易产生空化现象，破坏流体的连续性，使流场特征更加复杂，并影响节流阀的使用性能和寿命[1]。

此外，空化形成的气泡在流经压力恢复区时，会发生溃灭，引发诸如材料损伤、振动、噪声等问题[2]。

因此，对节流阀内部流动特性开展相关研究对节流阀的优化设计具有重要的理论意义。

随着液压技术的兴起、液压技术自身发展需求和流场仿真及检测技术的提高，针对液压元件及系统开展更多深入研究是一种发展趋势。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
节流阀流量特性曲线求解方法
建立了节流阀整体有限元数字模型，分析了节流阀的流量特性，进行了不同开度下的流场网格划分及边界条件施加和求解，绘制了流量特性曲线，形成了关于节流阀流量特性求解的通常方法。

1、概述节流阀是通过改变节流截面积控制流体流量的阀门，其主要由阀体、阀盖、阀杆和阀瓣等零部件组成。

阀门的节流元件阀瓣多为圆锥流线型，通过改变阀门的节流面积达到调节流量和压力。

随着有限元软件的发展，为节流阀阀瓣节流面设计带来了更精确的方法，同时通过有限元求解对阀门不同开度下的流量进行整合分析得到节流阀流量特性曲线，从而可以直观的反应该阀门的流量调节性能，满足客户的使用要求。

2、流场分析应用Solidworks 软件对节流阀进行整体有限元数模建立，通过Solidworks Flowworks 对节流阀进行了不同开度下的流量测定。

2.1、数学模型
在Solidworks 软件中，应用拉伸和旋转等实体命令，建立实体模型，再应用装配模块对各零部件进行装配(2.2、网格划分
将建立的立体数学模型，导入到Solidworks Flowworks 模块中，对其进行流场网格划分，分别对节流阀阀瓣开启高度h 为4.5mm(2.3、边界条件加载边界条件是确定分析初始状态，设定内部流体为水，阀前设置流量为
3m3/h，温度为室温，试验压力为6kPa。

2.4、求解
应用Solidworks Flowworks 求解器对节流阀不同开度下的流场进行求解，从分析结构可以发现，当开度为4.5mm 时，阀瓣与阀座附近最大流速为。

小开度工况下水轮机内部流场特性数值模拟研究贾允;宫汝志;李凤臣【摘要】在根据国家“十二五”、“十三五”规划,水电将成为我国电力系统的重要组成部分.随着水轮机尺寸、容量的增加,水轮机稳定性将成为机组设计过程中需要优先考虑的问题.水电站飞逸试验时,曾在小开度工况出现超过可接受范围的振动,使得对水轮机小开度下的水力稳定性得到广泛关注.本文采用RNG k-ε模型对某水轮机模型小开度工况进行了CFD分析,获得模型机外特性曲线,研究了导叶小开度状态下机组内部流场演变规律及流场特点,分析了导致流动不稳定的原因.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】7页(P54-59,64)【关键词】流体机械;流动稳定性;CFD;小开度工况【作者】贾允;宫汝志;李凤臣【作者单位】哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TK730.20 引言三峡机组在进行小开度过速试验中曾出现振动严重超出允许范围的现象[1]，蜗壳压力脉动超过水头的50%，导致机组出现强烈振动。

为了避免机组的异常振动，工作人员不得不延长导叶的关闭时间[2]。

而过长的关闭时间将导致机组转速的持续攀升[3]，对安全运行及辅助设备性能保证产生威胁，从而带来并网困难。

另一方面，在国家“十二五”、“十三五”规划指导下，作为优质清洁的可再生能源，水电将成为我国电力系统的重要组成部分[4]，当前以乌东德、白鹤滩等为标志的巨型水电机组已启动开发。

因此有必要通过理论研究和数值计算方法对小开度工况下水轮机内部流动细节进行分析。

通过研究水轮机流场，寻求避免水轮机异常振动的有效方法。

早期针对过渡过程的计算只局限于图解或解析等近似算法[5]，当前，水轮机过渡过程计算与计算机应用深入结合，多采用Streeter和Wylie提出的特征线法[6,7]。

第３２卷第３期中国机械工程V o l ．３２㊀N o ．３２０２１年２月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２９０Ｇ２９６节流孔板空化特性分析俞轲鑫１㊀尚群立１㊀吴㊀欣２１．浙江工业大学信息工程学院,杭州,３１００１２２．杭州电子科技大学机械工程学院,杭州,３１００１８摘要:管道系统中的各类阀门㊁文丘里管㊁孔板等节流件,随系统工作压力和前后压差的增大,会出现气液两相流引起的空化或发生阻塞流,对系统的工作性能和安全造成严重影响.针对以不同规格孔板为代表的节流件,采用理论推导和F L U E N T 流体力学两相流仿真,结合实验台架所得的空化流动特征,辅以对局部空化气泡的高速微距拍摄结果,提出了斜梯三角形流量曲线以表达节流孔板阻塞流发展变化的全部过程,充分表达了阻塞流发展过程中的局限性特征和阶梯性特征.关键词:节流孔板;空化特性;计算流体动力学仿真;阻塞流;微距摄影中图分类号:T K ９D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２１．０３．００６开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):A n a l ys i s o fC a v i t a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s f o rO r i f i c eP l a t e s Y U K e x i n １㊀S H A N G Q u n l i １㊀WU X i n２１．C o l l e g e o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,H a n g z h o u ,３１００１２２．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,H a n g z h o uD i a n z iU n i v e r s i t y ,H a n gz h o u ,３１００１８A b s t r a c t :W i t ht h e i n c r e a s eo fs y s t e m w o r k i n gp r e s s u r ea sw e l l a sb e f o r ea n da f t e rd i f f e r e n t i a l p r e s s u r e ,c a v i t a t i o no rb l o c k i n g f l o wc a u s e db y v a p o r Ｇl i q u i dt w o Ｇp h a s ef l o w m i gh to c c u r i nv a r i o u s v a l v e s ,v e n t u r i t u b e s ,o r i f i c e p l a t e s a n do t h e r t h r o t t l i n gp a r t s i n t h e p i p i n g s y s t e m s ,w h i c hm i gh t s e Ｇr i o u s l y a f f e c t t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c e s a n d s a f e t y o f t h e s y s t e m．F o r t h e t h r o t t l i n gp a r t s r e pr e s e n t e d b y o r i f i c e p l a t e so fd i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n s ,w i t ht h ea p pl i c a t i o n so f t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na sw e l l a s F L U E N Tf l u i dm e c h a n i c s t w o Ｇph a s e f l o ws i m u l a t i o n ,c o m b i n e dw i t h c a v i t a t i o n f l o wc h a r a c t e r i s t i c s o f c a v i t a t i o nb e n c ht e s t ,s u p p l e m e n t e db y t h eh i g h Ｇs p e e d m a c r o p h o t o g r a p h y re s u l t sof l o c a l c a v i t a t i o n b u b b l e s ,a n d t h e f l o wc u r v e s o f r a m p l a d d e r t r i a ng l ew e r e p r e s e n t e d t o e x pr e s s t h ew h o l e p r o c e s s e s o f t h e d e v e l o p m e n t a n d c h a n g e o f b l o c k i n g f l o wo c c u r r i n g i n t h e o r i f i c e p l a t e s ,w h i c h f u l l y e x pr e s s e d t h e l i m i t a t i o na n d s t e p c h a r a c t e r i s t i c s o f b l o c k i n g f l o wi n t h e d e v e l o pm e n t p r o c e s s e s ．K e y w o r d s :o r i f i c e p l a t e ;c a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ;c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s (C F D )s i m u l a Ｇt i o n ;b l o c k i n g f l o w ;m a c r o p h o t o g r a p h y收稿日期:２０１９１０２５基金项目:国家科技重大专项(２０１８Z X ０６００５００２Ｇ００３Ｇ００１);国家自然科学基金(６１１７４１０８)０㊀引言在调节阀工作过程中,当阀前后压差增大到一定程度时,流量系数呈现非线性变化,进而达到极限流量,进入阻塞流状态,同时,管道空化气蚀㊁噪声㊁振动[１]显著加剧,从而对阀门流通能力和结构安全造成重要影响,因此深入研究阻塞流的发展过程对系统高效安全运行具有重要的意义[１Ｇ２].调节阀㊁文丘里管㊁节流弯管对管道系统而言本质上就是一个流阻元件,对应着不同的流通特性,以调节阀为例,其不同开度对应不同的流阻特性.本文以节流孔板为节流件,选取不同规格的节流件,来模拟调节阀不同开度下的流阻特性.对于管道系统,阻塞流通常采用流量作为主要参数进行判定.工程中常用的阻塞流测定方法是:保持阀前压力不变,降低阀后压力,管道通过的流量逐渐达到极限,此后,即使继续降低阀后压力,流量仍保持不变.在阻塞流发展过程中,存在两个显著的阶段,一是流量随Δp 增大而线性变化阶段,二是达到极限流量后的水平阶段.线性变化阶段和水平阶段之间为流量的非线性变化阶段.当介质为水时,阻塞流与管道内水空化导致的液气两相流有关[３Ｇ４].阻塞流过程中的流量线性阶段和水平阶段与０９２管道空化程度有重要的关系.A B D U L A Z I Z[３]研究了空化文丘里管中的阻塞流发展过程,实验表明流量随阀后压力下降而达到极限流量,且流量曲线的线性阶段与水平阶段的过渡区域基本没有显著的非线性变化,也就是随阀后压力下降,流量曲线表现为两根相交的直线.Z H A N G等[４]研究了文丘里管道内阻塞流过程,认为阻塞流包括机械阻塞阶段和空化阻塞阶段两个阶段.上述研究侧重于研究阻塞流的空化特征,明确研究空化与节流件流量特性关系的工作相对较少.对于阻塞流中的空化现象,高速摄像技术和透明管道是研究空化形貌的一种重要手段.文献[５]给出了典型泵叶片上的超空化气泡照片.文献[６]研究了液体射流泵(l i q u i d j e t p u m p)随阀后压力下降,管道内从空化初生到整个管道内全部空化的过程,并给出了透明管道中的空化图像.文献[７]研究了文丘里管道内的空化阻塞流,认为发生空化阻塞流的管道是由初生㊁发展和混合与溃散等多个区域构成,并给出了空化图像.上述空化现象可视化研究结果多为空化区域整体图像,而给出直接观测空化气泡的报道相对较少.此外,流体仿真技术是另一种研究阻塞流流量特性和管道内空化的一种重要手段.文献[８]中提出的全空化模型在计算流体动力学(C F D)软件中得到了广泛应用.文献[９]利用C F D软件和空化建模技术研究了阀门中的流量和空化特性.文献[１０]采用３D流体仿真技术研究了先导阀中的空化现象,并提出了优化设计以减小空化的破坏.文献[１１]利用O p e nＧF O AM平台对喷口的空化进行了模拟计算.本文针对阻塞流过程,采用实验与仿真相结合的方法,研究阻塞流生成与发展过程的流量变化规律,建立流量与空化特征之间的关系,为后续调节阀性能优化设计提供物理依据.１㊀节流孔板理论流量特性分析对于管道系统,阻塞流是指在阀前压力固定,阀后压力降低到一定程度后,管道内流量达到极限,此后,即使继续降低阀后压力,管道内流量保持不变.对于不可压缩介质,例如水,阻塞流的出现与水在节流处的相变有关.阀前后压差较小时,节流孔板流量系数K v 值为常数,流量与流量系数满足如下关系:q V＝K v㊀１０Δp(１)式中,q V为通过节流孔板的流量;Δp为压差,M P a.当进入阻塞流状态后,流量达到极限值,即存在极限压差Δp T:Δp T＝F２１(p１－p v c)(２)F１＝㊀p１－p２p１－p v c(３)p v c＝P f p v(４)P f＝０．９６－０．２８㊀p v p c(５)式中,F１为压力恢复系数;p１为节流孔板前压力;p２为节流孔板后压力;P f为临界压力比系数;p v为饱和蒸汽压;p c为液体临界压力[１２].当Δp＞Δp T时,流量保持为极限流量:q V l i m＝K v㊀１０Δp T(６)从上面的公式中可以看到,流量曲线分为两条曲线:无空化时,K v为常数,流量与㊀Δp成线性关系;进入到阻塞流状态后,流量为极限流量.１．１㊀不同阀前压力时极限流量的阶梯性当固定阀前压力时,流量曲线包括K v为常数的线性阶段和达到极限流量后的水平段.进入阻塞流阶段后,流量达到极限流量:q V l i m＝K v F１㊀１０(p１－p v c)(７)可以看出,节流孔板的极限流量与阀前压力和流量系数有关.其中,p v c近似等于水的在该温度下的饱和蒸汽压p v,因此,对确定的节流孔板构成的节流管道系统而言,阻塞流曲线不仅是一条曲线,而是随阀前压力变化,表现为一簇曲线.对于节流孔板,流量系数K v和压力恢复系数F１均为常数,极限流量随孔板前压力增大而增大,因此,对于节流孔板构成的管道系统,阻塞流曲线随孔板前压力不同而呈现出一定的阶梯性.由此延伸到阀门部分,节流孔板可以相对地模拟为固定开度的阀门,所以对于阀门,开度不同,流量系数不同,压力恢复系数F１也不相同,表现为一簇斜率不同的斜直线和水平线.１．２㊀流量曲线最大压差的极限性通常的阻塞流曲线在流量和㊀Δp平面上表现为一条开放曲线,但是在实际管道系统中,流量曲线却有所限制:系统的最大压差小于p１－p v c,也就是阀后压力不能低于p v c,如果低于p v c,则介质全部变成蒸汽,系统性质将会发生显著变化.因此当介质为水时,系统存在最大压差Δp l i m＝p１－p v c.从式(７)中可以发现:极限流量q V l i m与最大压差㊀Δp l i m成线性关系.综上所述,在流量和㊀１０Δp平面内,管道内可能的流量位于阶梯三角形内,如图１所示.大１９２节流孔板空化特性分析 俞轲鑫㊀尚群立㊀吴㊀欣斜率斜线为无空化流动,斜率为流量系数K v .小斜率斜线为最大压差Δp li m 时的极限流量,斜率为K v F １.图中水平线为既定阀前压力下的极限流量q V l i m .理论上讲,斜线不通过原点主要是因为:当流动为层流时,流量系数K v 要小于雷诺数较大时的流量系数.图１㊀节流孔板理论流量特性图F i g ．１㊀F l o wc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o f t h r o t t l i n go r i f i c e p l a t e实际管道系统中,流量曲线从常系数的K v流动到极限流量的发展过程为非线性过程.２㊀阻塞流发展过程实验研究阻塞流过程与节流孔板结构㊁流通介质和实验工况都有关系,因此采用实验方式研究阻塞流不同发展阶段的流量特征.基于设计的实验台架,首先以孔板作为节流部件,研究管道流量变化规律;然后,采用透明管段,结合高速摄像技术和微距拍摄技术,以可视化方式直接观察阻塞流发展过程的空化特征.２．１㊀实验台架２．１．１㊀台架设计实验台架装置是一套封闭的循环系统,主要由主管路㊁旁路㊁回路组成;液态水为实验介质;离心泵提供系统动力.设计的实验台架结构见图２.１．储水箱㊀２．法兰㊀３．弯头㊀４．无缝钢管㊀５．变频泵㊀６．手动球阀７．节流孔板安装处㊀８．测压孔㊀９．电磁流量计㊀１０．气动调节阀图２㊀实验台架F i g ．２㊀E x p e r i m e n t a l e q u i pm e n t ２．１．２㊀管段和透明管段设计孔板采用法兰连接安装在实验段处,如图３所示.为了观测实验过程中的空化现象,设计透明管段如图３b 所示.２．１．３㊀工况建立实验工况的建立分为以下步骤:①调节变频泵至固定初始压力;②改变图２所示部件１０气动调节阀的开度,改变孔板后压力;③调节变频泵的输出,使其压力固定在步骤①所设定的值.１．取压接头㊀２．孔板组件㊀３．O 形圈４．阀板法兰组件㊀５．无缝钢管(a)采样管段设计图(b)透明管段图３㊀实验段结构设计图F i g ．３㊀S t r u c t u r e d r a w i n g o f e x pe r i m e n t a l s e c t i o n ２．２㊀节流孔板设计设计节流孔板旨在从一定程度上模拟阀门㊁管道节流件等节流装置,对于管路系统,其本质皆是一定的流阻元件.本文节流孔板设计尺寸如下:厚孔板厚度L ＝１６m m ,孔径ϕ８m m ㊁ϕ１６m m ,入口处圆弧过渡,后文标记为ϕ８ˑ１６和ϕ１６ˑ１６.管道系统流通方向由倒角处流入,如图４所示,从左至右.图４㊀实验孔板结构设计图F i g ．４㊀D r a w i n g of o r i f i c e p l a t e２９２ 中国机械工程第３２卷第３期２０２１年２月上半月２．３㊀孔板流量特性分析为了研究温度节流孔板的流通能力的影响,选择ϕ８ˑ１６孔板作为节流件,孔板前压力为９００k P a ,测量不同孔板后压力下的流量,如图５所示.可以发现在研究的范围内,流量并未有显著变化.图中也给出了名义的K v ,可以看出在临界压力之前,K v 基本上保持水平;靠近临界压力处,K v 有变小的趋势,但是基本上不太明显.因此可以认为,受限于台架与测试器件的测量范围,在研究温度区间内,流量特性并未有显著变化.图５㊀不同温度下的流量曲线F i g ．５㊀F l o wc u r v e s a t d i f f e r e n t t e m pe r a t u r e s 从上面的流量实验中可以发现:(１)节流孔板的可能流量(图６)局限于三角形内,大斜率直线代表无空化流动,水平线为不同孔板前压力下的极限流量,小斜率直线为孔板的极限流量.(２)对于图６所示流量曲线,流量可以作为阻塞流判断依据,但无法作为空化出现的判据.(３)温度在小范围变化时(１５ħ),节流孔板的流量特性并未有显著变化.图６㊀ϕ１６孔板流量曲线F i g．６㊀ϕ１６Ｇo r i f i c e p l a t e f l o wc u r v e ２．４㊀阻塞流空化特征可视化研究阻塞流产生的原因是由于管道内压力低于饱和蒸汽压,水发生相变转化为气体,形成了液气两相流,导致流量达到极限流量后不再增大.为了观测阻塞流发展过程中的空化现象,采用透明管段方式,结合摄影成像技术,研究阻塞流形成过程的空化规律.进而,为了获取空化气泡的确切证据,采用微距成像方式拍摄成形气泡形貌,为空化现象提供直接证据.图７为阻塞流初始㊁发展和完全阻塞过程的图像.保持孔板前压力为９００k P a ,减小孔板后压力,观测透明管道内的流动情况.首先为无空化流动(图７a ),然后随孔板后压力的减小,孔板后开始出现空化气泡,在距离节流较近的区域空化气相比例较高,远处相对较小(图７b ).孔板后压力继续下降,管道内完全空化(图７c).(a)无空化(b)孔板后少量空化(c)孔板后空化图７㊀阻塞流发生发展过程F i g ．７㊀D e v e l o p m e n t p r o c e s s o f b l o c k i n gf l o w 为了进一步证实图７中白色区域为空化区域,采用微距拍摄技术对完全空化区域进行进一步观测.图８为微距拍摄图像,从图中可以明确观测到管道内的空化气泡,空化气泡尺度大小不一,从０．１mm 到１mm ,小气泡圆度相对较好,大气泡形状很多以椭圆的形状出现,这可能与气泡膨胀过程中外部作用有关,即小气泡受力较为均衡,大气泡受力不均.图８㊀空化气泡图像F i g ．８㊀T h e i m a ge of c a v i t a t i o nb u b b l e３９２ 节流孔板空化特性分析俞轲鑫㊀尚群立㊀吴㊀欣３㊀基于C F D的阻塞流发展过程中空化特征仿真为了进一步研究阻塞流发展过程,采用C F D 仿真技术研究阻塞流过程中的流量与空化现象的关系.首先通过与实验数据的对比分析来验证分析技术的有效性,然后基于仿真技术研究典型阻塞流发展过程的流量与空化演变规律.３．１㊀仿真技术有效性分析建模时,选用的多相流模型为混合模型(m i x t u r em o d e l),液体水(w a t e rＧl i q u i d)为主相,水蒸气(w a t e rＧv a p o r)为次相.湍流模型为R e a lＧi z a b l e kＧε模型,近壁区域采用S t a n d a r dw a l l f u n cＧt i o n.空化模型选用S c h n e r rＧS a u e r模型.求解算法选用c o u p l e d算法.边界条件为孔板前和孔板后压力.３．１．１㊀流量计算仿真时,边界条件为孔板前后压力,计算流量如图９所示,可见仿真分析所得流量数据与实验所采集流量数据吻合较好,验证了仿真模型的有效性.(a)ϕ８孔板实验与仿真对比图(b)ϕ１６孔板实验与仿真对比图图９㊀ϕ８和ϕ１６实验与仿真流量数据对比图F i g．９㊀C o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e n t h e e x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o n f l o w ３．１．２㊀压力计算与空化程度分析图１０为实验与仿真压力大小分布图,图中横坐标为至孔板前压力p１采样口的距离.由图１０可以看出:实验压力采样点的压力与仿真计算压图１０㊀ϕ１６实验与仿真压力对比图F i g．１０㊀C o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e n t h e e x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o n p r e s s u r e力曲线吻合较好,证明了仿真的有效性.３．２㊀孔板阻塞流发展过程分析ϕ８ˑ１６和ϕ１６ˑ１６的流量特性基本为双线特性,空化过程包括节流孔板后局部空化到整体空化的过程.为了研究阻塞流发展过程的空化规律,采用C F D技术研究不同压力下的空化特征.图１１给出了ϕ８孔板前压力为４００k P a,不同孔板后压力下的空化特征.可以看出:在阻塞流发展过程中,空化主要包括节流孔板内空化和节流孔板后空化两个阶段.第一阶段,随孔板后压力下降,孔板内流速增加㊁压力下降,当孔板内压力小于水的饱和蒸汽压后,孔板内出现空化.第二阶段是当孔板后压力继续下降,孔板后出现空化现象.图１２给出了阻塞流发展过程中随孔板后压力下降,流量㊁整个仿真区域内的气体的体积和管道内空化的变化过程.①孔板节流处空化阶段,孔板内空化程度逐渐加强,这时的气相体积相对较小,然后,空化区域逐渐拓展至整个孔板,当孔板内出现完整空化时,管道流量迅速达到极限流量.在这个过程中,K v值为非线性变化,但是非线性变化程度较低.此时,即可认为是阻塞流的充分发展阶段.②管道内空化的发展阶段,孔板后管道内空化是一个快速发展的过程,气相体积快速增大,流量基本保持不变.在第一阶段的孔板内空化过程中,随孔板后压力下降,孔板后未出现显著空化.从流量角度分析,节流孔处完全空化就意味着系统进入阻塞流阶段;从整个管道空化程度分析,孔板后出现大４９２中国机械工程第３２卷第３期２０２１年２月上半月量空化气泡,也就是管道的阻塞流的空化最剧烈的阶段.因此,对于厚节流孔板,在未达到临界压差时,孔板内已经出现空化,也就意味着此时孔板存在一定的空化气蚀的潜在风险.(a)p２＝２００k P a(b)p２＝１００k Pa(c)p２＝５２k P a(d)p２＝４２k P a(e)p２＝３９．５k P a(f)p２＝１２k P a图１１㊀p１＝４００k P a空化发展过程F i g．１１㊀C a v i t a t i o nd e v e l o p m e n t p r o c e s s(p１＝４００k P a)图１２㊀ϕ８孔板仿真气体体积变化F i g．１２㊀S i m u l a t i o n g a s v o l u m e c h a n g e o fϕ８Ｇo r i f i c e p l a t e ４㊀节流孔板阻塞流特性４．１㊀阻塞流的斜梯形曲线特征流量曲线是描述阻塞流发展过程的重要工具,综合考虑阻塞流曲线的阶梯性㊁流量的极限性等特性,本文将流量曲线(图１３)命名为斜梯三角形流量曲线,它描述了节流孔板与阻塞流发生发展过程的全景.图１３㊀ϕ８孔板斜梯三角形流量曲线F i g．１３㊀ϕ８Ｇo r i f i c e p l a t e r a m p t r i a n g l e f l o wc u r v e斜梯三角形流量曲线是由一系列固定孔板前压力的阻塞流曲线和最大压差下的流量曲线构成的封闭区间.①流量局限性:可能的流量局限在斜梯形内.②流量曲线的阶梯性:不同孔板前压力下的流量曲线组成了一个个阶梯.③流量曲线的局部特征:每条阻塞流曲线包括无空化流动区域㊁阻塞流区域.④无空化流动区域K v为常数,流量呈线性变化;阻塞流区域为该孔板前压力下的最大流量.４．２㊀阻塞流发展过程特征阻塞流发展过程的空化由节流孔板内空化和节流件后空化两个部分构成.通过可视化技术观测到的阻塞流发展过程图像和微距拍摄的空化气泡图像,再次证实了阻塞流发生的内在机理在于介质空化导致的液气两相流.对于ϕ８ˑ１６孔板,节流孔尺寸决定了极限流量(图１３).在孔板内初始空化时,K v变化不大,当孔板内空化完全后,流量达到极限流量,这时阻塞流已经充分发展.随孔板后压力进一步下５９２节流孔板空化特性分析 俞轲鑫㊀尚群立㊀吴㊀欣降,孔板后出现空化,但是流量不再增加.５㊀结论大压差工作环境下,由于液气两相流(空化)现象引起的阻塞流对系统流通性能具有重要的影响,因此采用理论㊁实验和仿真等方法,以节流孔板为对象,研究管道内介质为水时的阻塞流的非线性发展过程,得到结论主要如下:(１)提出采用阻塞流斜梯三角形流量曲线来描述节流孔板的阻塞流特性,以充分表达流量的局限性特征㊁阶梯性特征.(２)通过阻塞流发展过程图像和微距拍摄空化气泡图像,再次证实了阻塞流发生的内在机理在于介质空化导致的液气两相流.孔板空化过程包括孔板内空化和孔板后空化两个阶段.(３)厚孔板的节流情况下,单纯的流量可以作为阻塞流出现的判据,但不能作为空化发生的判据.参考文献:[１]㊀W I N K L HO F E R E,K U L L E,K E L Z E,e ta l．C o m p r e h e n s i v eH y d r a u l i c a n dF l o wF i e l dD o c u m e nＧt a t i o n i n M o d e lT h r o t t l eE x p e r i m e n t su n d e rC a v i t aＧt i o nC o n d i t i o n s[C]//１７t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n L i q u i d A t o m i z a t i o n a n d S p r a y S y s t e m s．N e wY o r k,２００１:６７Ｇ９０．[２]㊀S A N D E E P M,D H I MA N C,S HAM I T B,e ta l．N u m e r i c a l P r e d i c t i o n o f P o t e n t i a l C a v i t a t i o nE r o s i o ni nF u e l I n j e c t o r s[J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM u l t iＧp h a s eF l o w,２０１８,１０４:１Ｇ１２．[３]㊀A B D U L A Z I Z A．P e r f o r m a n c ea n dI m a g e A n a l y s i s o f aC a v i t a t i n g P r o c e s s i naS m a l lT y p eV e n t u r i[J]．E x p e r i m e n t a lT h e r m a l a n dF l u i dS c i e n c e,２０１４,５３:４０Ｇ４８．[４]㊀Z HA N G X,WA N G D,L I A O R,e ta l．S t u d y o f M e c h a n i c a l C h o k e dV e n t u r i N o z z l e sU s e d f o r L i q u i dF l o w C o n t r o l l i n g[J]．F l o w M e a s u r e m e n t a n dI n s t r 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u i d sE n g i n e e r i n g:T r a n s a cＧt i o n s o f t h eA S M E,２００２,１２４(３):６１７Ｇ６２４．[９]㊀L I A N GJ,L U O X,L I U Y,e t a l．A N u m e r i c a l I nＧv e s t i g a t i o n i nE f f e c t so f I n l e tP r e s s u r eF l u c t u a t i o n so nt h e F l o w a n d C a v i t a t i o n C h a r a c t e r i s t i c sI n s i d eW a t e r H y d r a u l i c P o p p e t V a l v e s[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f H e a ta n d M a s s T r a n s f e r,２０１６,１０３:６８４Ｇ７００．[１０]㊀Y A N G Q,A U N G NZ,L I S．C o n f i r m a t i o no n t h eE f f e c t i v e n e s so fR e c t a n g l eＧs h a p e dF l a p p e ri n R eＧd u c i n g C a v i t a t i o n i nF l a p pe rＧn o z z l eP i l o tV a l v e[J]．E n e r g y C o n v e r s i o na n d M a n a g e m e n t,２０１５,９８:１８４Ｇ１９８．[１１]㊀高永强,魏明锐,谭保华,等．基于O p e n F O AM的喷孔内部流动与近场雾化的数值模拟[J]．中国机械工程,２０１６,２７(１):７９Ｇ８４．G A O Y o n g q i a n g,W E IM i n g r u i,T A NB a o h u a,e ta l．N u m e r i c a l S i m u l a t i o no f I n t e r n a lF l o wo fN o zＧz l e sa n d N e a rＧf i e l dS p r a r y w i t h O p e n F O AM[J]．C h i n aM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１６,２７(１):７９Ｇ８４．[１２]㊀I E C６０５３４Ｇ２Ｇ１．I n d u s t r i a lP r o c e s sC o n t r o lV a l v e s P a r t２Ｇ１:F l o w c a p a c i t yＧS i z i n g E q u a t i o n sf o r F l u i dF l o wu n d e r I n s t a l l e dC o n d i t i o n s[S]．N e w Y o r k:I XＧI E C,１９９９．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:俞轲鑫,男,１９９５年生,硕士研究生.研究方向为故障诊断㊁智能控制.K x u y u１９９５＠q q．c o m.尚群立(通信作者),男,１９６４年生,教授.研究方向为调节阀所在系统的理论与应用.发表论文１０余篇.EＧm a i l:q l s h a n g＠z j u t．e d u．c n.６９２中国机械工程第３２卷第３期２０２１年２月上半月。

二级节流阀口空化特性表征研究李四海;袁士豪【摘要】The cavitation characterization of two stage throttle port was studied,and using classical cavitation definitionσ,new-form cavitation characterization index was obtained,which was applicable, to two stage throttle port.In the calculation formulae of new-form cavitation characterization index,all design parameters needed by two-stage throttle port were included.Applying the calculation formule, cavitation characterization curves of U and V throttle ports were plotted,and it is observed from the plots that whether U or V throttle port,cavitation concentration region is always around section A 2 , and that the cavitation characterization index of section A 2 when liquid flows into section A 1 is always larger than that of A 2 when liquid flows out from section A 1 ;the macroscopic phenomena is that flow rates of different flow directions are different,and also flow rate out of section A 1 is larger than that of flowrate into section A 1 .%探讨了二级节流阀口空化概率的表征，并在经典空化数σ基础上提出了适用于二级节流阀口空化剧烈程度表征的空化指数计算式。

节流阀中航空燃油的气液两相空化流动特性晁文雄（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安 710077）摘 要： 基于k-ε湍流模型和SIMPLE算法，将Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合，对节流阀中的航空燃油进行气液两相定常数值模拟，研究节流阀在不同活门开度和进口压力下的空化流动特性。

结果表明：随着活门开度的减小，节流阀内航空燃油的汽化区域面积增大，最大流动速度先增加后减小；航空燃油在节流阀内的进口压力越小，越容易产生气体析出和液相汽化。

关键词： 气液两相；汽化；空化流动；节流阀中图分类号：TK 413.8 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2018) 04-079-05工业技术创新 URL : http: // DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.016引言节流阀是航空燃油系统的重要控制元件之一，多用于燃油泵和调节器的流量调节。

节流阀需满足两点要求：一是对航空燃油流量、压力控制的稳定性和可靠性；二是阻力小、损失少。

节流阀的工作原理是利用阀体内阀芯的相对运动来控制阀口的通断以及阀口开口的大小[1,2]。

在燃油的节流过程中，阀芯容易受到空化气蚀，引起节流阀发生振动、产生噪声等[3-5]，破坏燃油的连续性，使节流阀的工作寿命缩短、可靠性降低。

因此，计算节流阀内部的流动规律、分析节流阀内部的空化相变，具有重要的意义[6-10]。

本文基于气液两相空化流动的流体动力学模型，数值模拟分析节流阀内部的空化流动特性，并研究活门开度和进口压力对空化区域、流速、压力等物理参数的影响。

1 物理模型采用节流阀三维几何流道模型，剖面如图1所示。

通过活门开度的控制，实现供油流量的调节。

进口节流活门开度Z 如图2所示，选取全调节范围内8个典型活门开度（0.3 mm 、0.5 mm 、1 mm 、1.5 mm 、2 mm 、3 mm 、3.5 mm 、4 mm ）进行研究。

微型高速泵内空化流动的数值分析李业强;赖焕新【摘要】以一台单级微型高速离心泵为研究对象,对其内部空化流动进行全流场数值模拟,分析了3种流动系数和不同空化数时该离心泵叶片流道内的空泡、静压以及相对速度分布规律.研究结果表明:空泡最先在叶片吸力侧前缘产生,该空泡区随着空化数的减小沿着叶片吸力侧向出口尾缘迁移和扩大,且呈非对称分布.在相同空化数下,随着流量系数的增加叶片流道内的空化区域变大;叶片吸力侧中间区域出现低速区并在叶片间流道内发展,同时,叶片尾缘处的高速区向叶轮内延伸,表明空泡造成叶轮内流道的堵塞,阻碍液体的流动;在叶片吸力面侧,空泡体积分数的最大值主要分布在叶片中间靠近轮毂的位置,而在压力面侧位于叶片前缘的机匣附近.初步建立了关于微型高速离心泵内空泡流动的一个较完整的认识.【期刊名称】《华东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(042)001【总页数】8页(P141-148)【关键词】微型高速离心泵;静压分布;空化流动;空泡体积分数【作者】李业强;赖焕新【作者单位】华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】S277.9;TH311现代科技中，微型高速离心泵越来越广泛应用于电子、太空和医学等领域及相关的微型化研究。

与传统的大型离心泵相比，微型高速离心泵采用高转速可以有效地提高比转速和效率性能，但运行在高速下，泵内过流部件极易发生空化，造成泵性能下降。

目前为止，对于离心泵内的空化流动特性研究大多集中在中低速的大型离心泵［1-7］，而针对此类微小型高速离心泵的性能研究相对较少。

另一方面，微小型离心泵与大型机械泵的转速和尺寸相差较大，空化相似定律换算得到的空化余量误差较大，不能有效地预测泵内的空化性能［8］。

为了认识微型高速离心泵内的空化流动现象，本文采用ANSYS CFX软件运用RNG k-ε湍流模型和基于Rayleigh-Plesset输运方程的空化模型，通过改变流量系数、空化数对微型高速泵内流动进行空化数值模拟，分析流道内的静压和空泡分布规律，为改善微型高速泵的设计与应用提供参考意义。

不同开度下水阀的数值分析江帆;徐勇程;陈江栋;卢浩然;陈玉梁;祁肖龙【摘要】为了解水阀内部流动状况,采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLE算法,对所选水阀在不同开度下进行数值模拟,得到阀内的压力、速度和湍流耗散率.模拟结果表明,在进口压力为0.09 MPa的仿真工况下,开度为20％时,阀内出水段相较其他开度压力值较小且稳定;随着开度的增大,阀内喉部处的压力梯度增大,出水段X方向压力波动增大.阀内速度最大处为喉部区域,此时,低速区域范围最大,随着水阀开度的增加,喉部周围区域速度增加,流场中低速区范围减小.流线结果显示阀芯处漩涡一直存在,与水阀开度大小无关,而出水段靠近喉部的顶端处漩涡的存在与水阀开度有关,开度增大时,其漩涡的范围是增大的,且由流线图可得流场内流束的集中区域为水阀内出水段顶部;出水段流场湍流耗散率的相关数据表明,随着水阀开度的增加,流场中湍流耗散率也是增加的.本数值结果为优化阀内流道结构提供了参考数据.【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(017)004【总页数】8页(P73-80)【关键词】水阀;数值模拟;流场;开度;湍流耗散率【作者】江帆;徐勇程;陈江栋;卢浩然;陈玉梁;祁肖龙【作者单位】广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TH134在日常生活和工业生产中，阀门在流体类领域扮演着不可或缺的角色.不同类型的阀门在不同场合均有着各自的作用.水龙头作为阀门的一种，在日常生活中，为人们的用水提供了极大的便利；安全阀作为阀门的一类，在工业生产中促进生产和保障安全工作起着重要的作用；同时，阀门的内部流道结构也与生产生活使用过程中的能量损耗直接相关.随着社会的不断发展，人口数量的空前膨胀，节能环保已经成为全社会的共识.相应理论知识的逐步完善与层出不穷新技术在生产生活中的运用(如CFD和CAD软件的成熟)，使得采用现代设计方法对传统的有关设备进行结构的再优化早已成为可能，从而达到节能环保的目的，因此，对阀门内部流场的正确模拟与分析是提升阀门性能的关键.国内外的有关学者对阀门进行了大量细致的研究.樊达宜等[1]对内部流场结构复杂的节流管式调节阀进行了三维数值模拟，具体分析了不同阀内流场的受力情况和阀门驱动电机的功耗，通过仿真结果得到导气孔的直径大小影响电机的功率的结论，阀门导气孔直径变大时，电机功率增加，反之减小.刘斌等[2]通过对标准均质阀、射流均质阀和倒Z环均质阀等3种不同结构阀内流场进行数值研究，得到压力、速度等相关参数，通过对所得的仿真结果分析对比表明：3种阀均在其内部流道急剧变窄段压力突然降低，从而形成较大的压力梯度，在阀内流场其他段压力的变化相对较小或不变，通过对压力和其他参数的分析，可从增强微细化作用入手达到优化均质阀结构的目的.郎梼等[3]采用水锤计算方法，计算研究了闸阀、球阀、蝶阀和止回阀等4种常用阀的水锤特性，得出了当阀门闭合时间较短时，阀门类型会影响管路系统中的最大水锤压力，但最大压力出现的时刻与阀类型的关系较小的结论；对于工程上一些重要的需要进行快速关闭的阀门，管路系统的最大水锤压力值与阀门流量系数密切相关，此时需要对所选用阀门的流量系数进行专门测定.崔铭超等[4]对所选用的直角截止阀内部三维流场进行了相应的数值模拟，通过计算阀内几何形状尺寸对流场中湍动能等流动特性的影响，得到了阀门流道优化的相关结论：直角截止阀的开度需增大到阀内流道喉部有效过流直径的一半以上才能减轻湍动能；阀芯整体所受流场中激振力的降低可通过相应减小阀杆的直径来实现；阀内转角处运用导流壁可达到较为明显的降振减阻的效果.国外学者同样对阀门进行了深入研究，AMIRANTE等[5]对定向控制阀进行了仿真和实验的对比研究，验证了仿真数据在阀类研究中的精确性.SONG等[6]也采用对三维模型数值仿真的方法来观察蝶阀在不同开度时，阀内流场的流型、测量阀的流量系数和水动力扭矩系数；得到的仿真结果也与实验数据进行了对比研究，证明了数值仿真方法在阀类研究中的可行性.KIM等[7]运用CFX仿真软件研究了用在船上四冲程发动机上的通电磁阀的内部流动特性，利用这种三维模型仿真得到的结果，对在工业应用中的电磁阀进行合理的设计起到了很大的作用.AN等[8]通过对高压降控制阀内不可压缩流体的湍流进行分析，对阀内压降、空穴对流场的影响和流量系数进行了研究.BEUNE等[9]验证了阀的数值模型有效性，并对高压安全阀的过流能力和开度特性进行了研究.CHATTOPADHYAY等[10]对压力监测阀中流体的流动过程进行了计算研究，分析了可压缩流体的湍动特性.数值仿真方法的可行性在前述学者中已得到了充分的验证，本文采用此种方法，运用Fluent 18.0流体分析软件对所有阀门在不同开度下进行仿真.模拟仿真中选用RNG k-ε湍流模型和SIMPLE算法，以有限体积法对所选阀作空间离散，对不同开度下的流场内部压强、速度等仿真数据进行分析对比.1 数值模型与仿真条件1.1 控制方程连续性方程即为通常所说的质量守恒方程，质量守恒定律是流体力学中最基本的定律：在单位时间内，某一特定平面上流入的流体质量与流出的流体质量相等，得到流体运动时的质量守恒微分方程如下：+▽·(ρV)=0(1)式中,表示的是空间某一点处质量的增加量；▽·(ρV)表示的是流出该点的质量.动量方程即为熟知的动量守恒方程，如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，此结论叫做动量守恒定律.根据动量守恒定律，取任一封闭的流体空间，该体积流体的动量变化率等于作用在该体积流体上的质量力和表面力之和[11-12].=▽▽(▽·V)(2)式中,为流体的动量随时间的变化，或称惯性力项；b为体积力项；▽p为压力差相；▽(▽·V)为粘性力项[13].由于仿真所采取模型的尺寸较小，仿真环境为常温，故在仿真的过程中可认为其与外界没有热交换，因此，本文的控制方程中无能量方程.1.2 模型建立和网格分析通过从企业拿到的水阀三维模型，在Proe5.0中查看其外形和剖面模型示意图，见图1.运用Workbench 18.0中几何模块自带的DesignModeler软件中的Fill命令，对水阀进行处理得到水阀内部流场模型，图2为水阀流道示意图.图1 水阀剖视图Fig.1 Water valve section图2 开度为60%时水阀流道模型Fig.2 Water valve channel model with 60% opening本文所选水阀阀芯处以活塞的上下运动来实现水阀的开启或关闭，阀内入水处不是水阀内部整个空心部分，而是通过外接的入水管实现，本文中入水管直径为10 mm，选用的仿真模拟入水管流道高度为50 mm；将上述生成的流道模型导入Proe5.0中，运用分析菜单栏中的测量工具可得到水阀各处尺寸，出水口直径为8.5 mm；水阀最大高度为115 mm；阀芯中心线距离出水口水平距离为50 mm. 为了后续模拟仿真，需要对所创建的流道进行网格划分[14]，以便仿真软件能对水阀流道内部流场进行较为准确的计算.本文网格划分采用Workbench 18.0中自带的Mesh模块，采用六面体为主的网格划法.一般而言，网格尺寸大小对仿真精度有着直接的影响，但网格尺寸过小，使得整体网格数量急剧增加，不仅对电脑配置的要求更高，而且也大大延长了计算时间；更为重要的是，在同一工况下，网格尺寸在某一合理值时，其仿真结果就已经接近实验或真实计算值，因此，网格尺寸越小越好并不是一个明智而且合理的选择，这也表明了需要对不同网格尺寸进行分析对比，找出最佳网格尺寸的必要性.本文对开度为60%的水阀在入水口压力为0.09 MPa下进行仿真，以水阀出水口流量为对比标准，对不同网格尺寸进行了合理性分析，得到了表1所示的数据.表1 水阀网格尺寸分析Table 1 Mesh size analysis of water valves尺寸/mm 网格数节点数扭曲度流量/(kg·s-1)0.9051 29355 0950.280.284 340.7568 98672 9160.270.286 320.60120 239127 2690.240.288 410.50170 9041798240.220.291 680.45234 184245 1450.200.292 37从表1可见,随着网格尺寸的减小，网格数和节点数不断增加，网格质量评价指标扭曲度Skewness也不断减小，说明网格质量有所提升，但网格尺寸为0.50 mm 和0.45 mm时，出水口流量为一相对稳定值0.292 kg·s-1，因此，水阀网格尺寸选用0.50 mm即可满足仿真要求，图3为水阀的网格示意图.图3 流道模型的网格划分Fig.3 Meshed model of the channel1.3 仿真条件模拟过程中选用流体介质为液态水，其动力粘度为0.001 003 Pa·s，密度为998.2 kg·m-3，按不可压缩流动进行处理；仿真初始条件选为压力进口，压力值为0.09 MPa，出口条件设置为压力出口，压力值为0 MPa；除了水阀进出口为压力选项设置，模型其余面默认设置为壁面.通过计算可得在上述5种工况下流道内的雷诺数大于105，整个流场处于湍流状态，所以启用湍流模型，本文中使用标准的RNG k-ε湍流模型，该模型用于模拟阀内流道的精确性已经被XU等[15]证明；流场求解选用默认的压力修正SIMPLE算法，空间离散化中，动量、湍动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式，水阀流量标准参照国标陶瓷片密封水嘴GB/T18145-2014[16].2 结果分析2.1 流道内压力分析图4所示为进口压力0.09 MPa下不同开度水阀流道内的压力云图(为便于后续分析，本文中将阀芯至出口段处的突变截面命名为喉部).从图4可见，水阀流道内进口处至阀芯处压力值均较为稳定；由右侧各局部放大云图可见，随着开度的缓慢增大，阀芯处的压降区域面积缓慢向左扩大，压降梯度更为明显，从压力值上反映出来即是：当水阀为20%的开度时，流体静压从0.09 MPa迅速降低到0.05 MPa，从图4云图可见，20%开度时，0.05 MPa所示的云图面积最大，随着水阀开度的逐渐增大，此压强所示的面积区域逐渐减小；而且在20%的开度时，由局部放大图可以看到阀芯至喉部处形成了一个压力为0.03 MPa 的介于0.08 MPa～0.05 MPa的低压区域，这种压力骤然变化的区域，极易形成涡旋从而消耗流场内部能量.从20%开度的压力云图中仍可见，阀芯左侧的云图显示有一个压降区域，随着开度的逐渐增大，压降区域消失，但开度增大到100%时，低压区再次出现，而且相比20%开度，低压区的位置有所上移.(a)20%开度；(b)40%开度；(c)60%开度；(d)80%开度；(e)100%开度图4 不同开度下阀内压力云图Fig.4 Pressure contour inside valve with different opening图5为出水段X方向压力变化曲线图.图5 出水段X方向压力变化曲线Fig.5 Pressure variation curve with X direction in outlet section图6为不同开度下各面压力变化曲线图.图6 不同开度下各面压力变化曲线Fig.6 Pressure variation curves with different openings从压力云图6中可见，当流体经过喉部后，20%开度下的水阀出口段流道内压力云图分布相较其他开度下的更为均匀，即20%开度出口段流道内压力变化不大，这也可以从图5所示的出水段X方向上压力变化曲线中直观的看到；而且从图5中可知，随着开度的逐渐增加，水阀出水段流道内X方向上压力值是逐渐增加的，这与图4中流道内的压力云图的分布也较为一致；同时，从图5的曲线图中可见，不同开度的水阀均在X方向12 mm左右的位置处存在压降，这也与压力云图中流体流经喉部处存在一个低压区的仿真结果一致；同时图5中的X方向压力变化曲线也表明当开度超过20%时，流道内压力值增大的同时，波动也会增大，如图中所示100%开度下压力的波动最为显著；图6所示为不同开度下流道内入口、出口、喉部和出口段中间面4个不同位置的压力变化曲线，由图中曲线各自所处位置的数值大小可见，随着流体在水阀内的流动，压力总体上是随着流道的长度而逐渐降低的，这和管内沿程压降的理论十分吻合，这也说明了本次水阀流道仿真模拟的有效性.2.2 流道内速度和湍流耗散率分析由2.1节的分析可得：不同开度下水阀内的压力分布不同，且由伯努利方程可知，压强的分布对流场内速度的影响也是显著的.图7所示为不同开度下的阀内速度云图，最大速度所在区域是压力梯度变化最大处，此验证了伯努利方程中压强与速度近似成反比的数值关系.从图7云图中可知，水阀内速度最大区域为喉部所在区域，且随着开度的逐渐增大，速度较大区域的面积也逐渐增大，且由喉部向出口段流道左移；同时，阀内低压区的面积在开度为20%时最大，近似水平分布在喉部至出口处的流道内；随着开度的增大，阀内低压区面积逐渐减小，一部分低压区上移至水阀左上部，一部分右移至水阀出水口处；且从阀芯处的速度云图可知，随着水阀开度的增大，阀内低压区逐渐由阀芯中间向左移.从图7中不同开度下阀内流线图可知,当开度为20%时，阀内的涡旋区域主要集中在阀芯左边，且流体主要从出水段下部流过，说明此时流体对壁面的剪切力主要集中在出水段下部；当开度增大到40%时，阀芯内左端涡旋减小，但在流体经过喉部后出水段阀内上部产生了较小的涡旋区域，此时从出水段流线可得，流体主要由出水段出水口处顶部流出，此时壁面剪切力最大处便存在此区域；当开度为60%时，阀芯左端涡旋区域产生了多个漩涡，在经过流道喉部值水阀顶部处的漩涡区域变大，且此时流场中流束最集中处由40%开度的阀内顶部向阀内底部有些许移动；当开度为80%时，阀芯左端仍然存在多个漩涡，且阀芯下部漩涡逐渐变大，而上部漩涡逐渐变小，过喉部至出水段顶部产生了多个漩涡，且最上部漩涡区域相较上述开度有明显增大，此时流场中的流束又缓慢上移至阀内顶部；当开度为100%时，阀芯左侧下部漩涡不断增大的漩涡将上部漩涡吞噬，经喉部至出水段顶部的漩涡区域相比80%的开度有所减小，但在出水段中间靠近水阀底部处产生了新的涡旋，此时流道内流束集中在靠近出水口的顶部，且流束集中的区域相比上述开度有所减小.(a)20%开度；(b)40%开度；(c)60%开度；(d)80%开度；(e)100%开度图7 不同开度下阀内速度云图和流线图Fig.7 Velocity contour and streamline inside valve with different opening上述部分分析了流道内存在涡旋的区域，涡旋存在的区域会消耗流场中的动能，同时产生回流区域，使得流道阻塞和减小流道中的过流面积(图8).图8 不同开度下阀内出口段X方向湍流耗散率Fig.8 Turbulent dissipation rate with X direction in outlet section图8表明了出水段沿X方向流场内的湍流耗散率ε，ε的值代表的是湍流脉动动能的耗散，值越大表明湍流脉动的长度和时间越小，湍流强度越大，流场内越多的能量将被损耗.由图8中X方向的湍流耗散率曲线表明，开度为60%时，其湍流耗散最大区域在阀内出水段15 mm处，随着出水段水平距离的增加，其湍流耗散率逐渐降低，但100%开度下湍流耗散率随着出水段水平距离的增加而逐渐升高；流体流经喉部处和接近出水口时，湍流耗散率会增大；且随着开度的逐渐增大，耗散率会逐渐变大，同时这一现象在Palau-Salvador等[17]研究控制阀时被发现.3 结论本文用数值仿真的方法分析了常用水阀在不同开度下的流场特性，包括对流场内部压强的分析和速度分布等的讨论.通过阀内流场的压力云图和相关数据表明，水阀流道喉部处是压降最为显著的区域，而且随着开度的增大，喉部处压降梯度相较流场其他区域更为明显；当开度增大时，在出水口段X方向的压力波动和压力值范围分布变大；有压力云图可见开度为20%时，阀内出口段压力分布值较为稳定，随着开度的增大，阀内各处压力值的变化范围增大，在上述开度中，80%的开度下压力值变化的区域是最大的；同时，在阀内喉部处，云图显示有明显的低压区，随着开度的增大，从二维平面图中可见，其所在位置是向着水阀底部位置移动，体现在三维模型中时，此低压区即由流道两侧向阀底部移动，最后喉部处交汇.通过速度云图的分布可见，压力的变化趋势和速度的变化趋势是较为一致的：即在喉部处，压力的梯度最大，此时速度在这一区域的变化也是最显著的；随着开度的增大，阀内低速区的范围在减小.由流道内流线图可知，阀芯处始终存在着漩涡区域，随着开度的增大，出水段流道靠近喉部顶部漩涡由形成至增大，当阀门全开时，出水段中部形成了新的漩涡区域，漩涡的存在不仅减少了阀内过流面积，同时也大大的消耗了流场内的动能.由上述对阀内压力、速度和湍流耗散率的分析可知，流场中数值的变化显著的地方均是在流体经过喉部的前中后3个时间段发生的，因此，若想对水阀内部结构进行优化，阀内喉部处是优化的一个重要着手点.参考文献：【相关文献】[1] 樊达宜, 栾秀春. 基于FLUENT的节流管式调节阀结构优化[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版), 2012, 28(5):587-590.[2] 刘斌, 吴雪, 王晶,等. 不同结构均质阀内流场的数值模拟与对比研究[J]. 工程设计学报, 2011,18(3):191-196.[3] 郎梼, 鞠小明, 杨济铖. 不同类型阀门水锤特性计算比较[J]. 东北水利水电, 2015, 33(7):49-51.[4] 崔铭超, 唐科范, 刘桦. 基于CFD技术的阀门内流道优化[J]. 水动力学研究与进展, 2010,25(4):438-445.[5] AMIRANTE R, VESCOVO G D, LIPPOLIS A. Evaluation of the flow forces on an open centre directional control valve by means of a computational fluid dynamic analysis [J]. Energy Conversion & Management, 2006, 47(13/14):1748-1760.[6] SONG X G, PARK Y C. Numerical analysis of butterfly valve-prediction of flow coefficient and hydrodynamic torque coefficient[J]. Lecture Notes in Engineering & Computer Science, 2007, 2167(1):351-356.[7] KIM T, YANG S, KANG S. Numerical study on the flow characteristics of a solenoidvalve for industrial applications[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 1993, 17(5):246-250.[8] AN Y J, KIM B J, SHIN B R. Numerical analysis of 3-D flow through LNG marine control valves for their advanced design[J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2008, 22(10):1998-2005.[9] BEUNE A, KUERTEN J G M, SCHMIDT J. Numerical calculation and experimental validation of safety valve flows at pressures up to 600 bar[J]. Aiche Journal, 2011,57(12):3285-3298.[10] CHATTOPADHYAY H, KUNDU A, SAHA B K, et al. Analysis of flow structure inside a spool type pressure regulating valve[J]. Energy Conversion & Management, 2012,53(1):196-204.[11] 李勇, 刘志友, 安亦然. 介绍计算流体力学通用软件——Fluent[J]. 水动力学研究与进展, 2001, 16(2):254-258.[12] 李家春. 现代流体力学发展的回顾与展望[J]. 力学进展, 1995, 25(4):442-450.[13] 王洪伟. 我所理解的流体力学[M]. 北京：国防工业出版社, 2014.[14] 江帆，黄鹏.FLUENT高级应用与实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.[15] XU H, GUANG Z M, QI Y Y. Hydrodynamic characterization and optimization of Contra-push check valve by numerical simulation[J]. Annals of Nuclear Energy,2011,38(6):1427-1437.[16] 中国国家标准化管理委员. GB/T 18145-2014, 陶瓷片密封水嘴[S].北京：中国标准出版社, 2014.[17] PALAU-SALVADOR G, GONZLEZ-ALTOZANO P, ARVIZA-VALVERDE J. Three-dimensional modeling and geometrical influence on the hydraulic performance of a control valve[J]. Journal of Fluids Engineering, 2008, 130(1):151-163.。

基于 Fluent 的节流阀油液空化流场数值分析李贝贝;刘秀梅;龙正;贺杰;李文华【摘要】基于计算流体动力学方法，数值研究了节流阀开度变化对节流阀内油液压力场、速度场及空化区域的影响。

流道内压力较大区域位于上流道，压力较小区域位于下流道。

节流口处压力梯度随阀口开度减小呈增大趋势；液压油低流速区分布在上游槽底部、阀芯顶端及阀腔拐角处。

随着阀口开度减小，在通流截面积和油液黏性阻力共同作用下，通过节流口处流体流速呈先增大后减小趋势；在上游阀座底部、阀芯顶端处、阀腔拐角附近存在三个回流区，该回流区面积随阀口开度减小而减小；由于节流口处气体体积分数较高，因此空化初始位置位于节流口阀座附近，下游空化区则是游离性气泡群造成的。

此外，随着开度进一步减小，空化强度呈先增强后减弱趋势，空化区域也呈先扩大后缩小趋势。

%Based on computational fluid dynamics,characteristics of cavitation flows in a throttle valve with different openings and pressures were studied.The influences of openingon flow pressure,flow velocity and cavitation region were also investigated.The numerical results showed that the maximum pressure is located at the upstream of the flow channel,and the minimum pressure is located at the downstream of the flow channel;the pressure gradient for oil flowing increases with decrease in opening;the low-velocity regin of oil isat the top of valve rod,the corner of the channel and the corner of the valve seat;with decrease in opening,the oil flow velocity passing through the port increases firstly and then decreases under the action of cross-sectional area and oil viscosity;there are three recirculation zones at thetop of valve rod,the corner of the channel and the corner of the valveseat,they all decrease with decrease in valve opening;the cavitation initial position is near the valve seat,and the cavitation region at the downstream is caused by uncombined bubble clusters;in addition,with decrease in valve opening,both the cavitation intensity and cavitation region increase firstly and then decrease.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)021【总页数】5页(P54-58)【关键词】节流阀;流场分析;空化;数值模拟【作者】李贝贝;刘秀梅;龙正;贺杰;李文华【作者单位】中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116; 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027; 中国矿业大学江苏省矿山机电装备重点实验室，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116【正文语种】中文【中图分类】TH137;O359液压技术利用液体压力能进行能量传递，具有动作迅速、功率密度大、运动平稳、易于实现过载保护等诸多优点，在工业中已取得了广泛的应用［1－3］。

U型节流阀流场特性的数值和试验研究贺杰;刘秀梅;李贝贝;戴真真;乔淑云;洪从华【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2022(41)20【摘要】液压控制阀的调压精度和工作稳定性依赖于流道内部流场特性的深入研究。

基于Schnerr-Sauer空化模型和标准k-ε湍流模型,开展了双U型节流阀内空化流场仿真计算。

搭建了可视化试验台,通过高速相机捕捉了透明节流阀内的空化形态流场。

通过对双U型节流阀内部流场特性及影响因素的试验和数值分析可知:节流口为主要压降区,由收缩流变为扩散流,是空化发生的主要区域。

节流槽出口处的空泡群狭长型,且与出口截面呈一定角度、稳定存在。

随着进出口压差的减小,双U型节流阀节流口空化强度进一步缩小,且向节流口萎缩。

随着开度的增大,空泡团由团状逐渐收缩为细长状,空化区域及空化强度均呈现先增强再减弱的趋势。

此外,一级槽的深度也是影响双U型节流阀内部空化流场的重要因素。

一级槽深度减小时,节流槽内阻力增加,压力恢复加快,空化区域及空化强度亦逐渐减弱。

随着一级槽深度值减小,高速流范围变小,空化面积亦减小。

合理控制双U型节流槽深度,可以有效抑制空化发生程度。

【总页数】7页(P284-290)【作者】贺杰;刘秀梅;李贝贝;戴真真;乔淑云;洪从华【作者单位】徐州工程学院电气与控制工程学院;中国矿业大学机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH137【相关文献】1.两种不同结构的Q型静态混合器流场特性数值研究2.两种不同结构的Q型静态混合器流场特性数值研究3.燃烧轻气炮多级渐扩型燃烧室流场特性数值研究4.基于流场动力学特性的发动机稳流数值试验研究5.遮板型开孔式正方体人工鱼礁流场特性数值研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

混流式水轮机小开度工况流动计算摘要：随着计算机技术日新月异的发展和计算流体动力学的进步，三维流动数值模拟逐步被应用于水轮机的分析和优化。

再加上各种湍流理论在CFD软件应用中的成熟，使得全面、精确地数值计算模拟成为可能。

这种利用计算机技术的分析方法比传统的模型机试验更省时省力，并有更好的精度保证。

本文即是在雷诺时均N-S方程基础上，采用有限体积法和标准κ-ε紊流模型，对混流式模型水轮机导叶进行了三维定常紊流计算。

论文的主要任务是对非设计工况下混流式水轮机蜗壳导叶内的流态进行分析，以期了解小开度下水轮机发生各种水力现象及振动的机理。

关键词：混流式水轮机；导叶；小开度；CFD；流态分析ABSTRACT：With the rapid development of computer technology and advances in computational fluid dynamics（CFD），the numerical simulation of three-dimensional（3D）flows have been gradually applied to the analysis and optimization of hydraulic turbines. In addition，a variety of turbulence flow theories in the application of CFD software had been matured，make a comprehensive，accurate numerical simulation of possible. This analysis with the help of computer technology is easier than the traditional experiment，and it makes the results more accurate.The paper is based on the Reynolds N-S equation. It uses the Finite element volume method and the standard κ-ε turbulence flow model，do the computing of the 3D-steady turbulent flow in Francis turbine guide vane. The main task of paper is to analyse the flow regime in the Francis turbine’s spiral diffuser under the off-design conditions，to know the hydraulic phenomenon in the turbine with the small open degree and the mechanism for vibration.Key words：Francis turbine Guide vane Small opening CFD Flow analysis 引言水利水电工程中涉及大量的水力学问题，目前常用的方法为物理模型试验及数值模拟方法，长期以来，复杂流场的研究均以物理模型试验为主要手段。