高州登高车出租,      基于ＣＦＤ的超高速溢流阀的流场与气穴仿真研究

         高州登高车出租,  基于ＣＦＤ的超高速溢流阀的流场与气穴仿真研究    高州登高车租赁, 高州登高车公司       在液压系统里，当流动液体的压力低于空气分离压时，溶解在流体中的空气就会分离出来，产生大量气泡的现象就是气穴现象。气穴现象在液压系统里非常常见，危害很大，它的出现常常会引起液压系统的噪声与液压管路的振动。在气泡破裂时，液压油会对阀或管路产生很大的冲击力，冲击力在管路或阀内部传播过程中会引起振动，产生嗓声，并引起液压油温度的升高。冲击力对阀芯表面不断的冲击和挤压，久而久之，阀芯阀套的表面金属材料便会逐渐剥落，形成麻点，在液压油杂质的拉丝侵蚀下，阀的使用寿命迅速降低。这种由气穴产生的气蚀现象普遍发生于各类液压元件中，本课题所研究超高压大流量溢流阀的额定工作压力高迗７０ＭＰａ，最大流量高达２０００Ｌ／ｍｉｎ，具有压力高流量大的特点，其气穴现象引起的噪声与气蚀现象将更加严重。因此，很有必要对超高压溢流阀的流场开展仿真研究，从而探究影响气穴产生的因素，对流道进行改进以减少气穴现象的发生。计算流体力学ＣＦＤ技术以近代流体力学、数学和计算机科学为基础，将复杂的流场问题通过控制方程的离散化为代数方程在计算机上迭代求解，能够求解复杂的流场问题。Ｆｌｕｅｎｔ软件是成熟的ＣＦＤ商业软件之一，可以用来仿真计算复杂的流场。它采用了多重网格加速收敛的技术，为使用人员提供了多种求解方法，在相转换与湍流、多相流、噪音等流场仿真方面有着广泛的应用。

      １流场与气穴模型理论,   对流场气穴仿真过程中涉及的流场模型理论与气穴模型理论进行介绍。１流场模型理论下面主要针对Ｆｌｕｅｎｔ软件流场模型用到的质量守恒方程、动量方程、Ｓｔａｎｄａｒｄ型、Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ型进行介绍。

  （１）质量守恒方程质量守恒方程应用在流体中，还可以称之为连续性方程。在欧拉法下对流体直接应用质量守恒定律即可导出质量守恒方程。对于不可压缩流体，由于流体密度不随时间变化而变化，所以质量守恒方程可以简化  （２）动量方程动量守恒定律应用于流体运动中，即可得到动量方程，它对于任何粘性的流体以及它们的运动状态都是适用的。脉动量通过雷诺应力来影响流体的平均运动。（３）标准摸型标准＆－ｓ模型是一个半经验模型。湍动能＆方程是经过严格推导而来，湍动耗散率￡方程是由量纲分析、类比、经验等方法得到的。标准模型在推导过程中忽略了分子的粘性力，因此它适用于完全湍流的流动。标准模型的湍动能和湍动耗散率的运输方程, ｅ上式中的经验常数通常取Ｇ＝１．４４，是由实验经验得到的。（４）Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ模型上述标准模型对于高平均应变率流动会出现非物理结果。为保证模型的可实现性，系数Ｇ不应该设定为一个常数，而应该是平均应变率的函数。考虑了旋转和曲率的相关内容，并对湍流粘度计算公式进行了改进，所以对计算含有射流和混合锍的流动效果更好。基于ＲｅａｌｉｚａｂｌｅＡｒ－ｅ湍流模型对流场进行仿真分析。

     阀芯锥角对气穴参数的影响     通过上节对仿真结果的分析可知，在额定工作压力７０ＭＰａ下的流场气穴现象已经非常严重，对阀芯阀套造成的气蚀与噪声现象将非常明显。由于阀芯半锥角直接影响油液流经阀口后的射流方向，本节将研究阀芯半锥角对气穴现象产生的影响，从而确定合适的阀芯半锥角以减少气穴现象的发生。选取Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ模型，阀口开度０．５ｍｍ（此时的阀口开度与额定工况下阀口的实际开度较为接近）。主次相间转化选取Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ模型。边界条件设置如下：压力入口７０ＭＰａ，压力出口ｌＯＯｋＰａ。依次改变阀芯半锥角，从２５°依次７０°每隔５°进行一次仿真计算，从仿真结果可以看出：（１）阀口流场的最低压力一直不变，为１０ｋＰａ，即为仿真所设置的空气分离压。当油液流经阀口时，由于通流面积急剧减小，油液流速增大，压强迅速降低，当压强小于空气分离压时，空气便从油液中分离，形成气穴现象。（２）由于阀套与阀芯锥面配合处未倒角，所以改变阀芯锥角阀口的通流面的压力梯度分布有所改变，所以油液的最大流速有所改变。最大气体体积比不变，始终为１００％，说明在开度为０．５ｍｍ，入口压力为７０ＭＰ：随着半锥角的增大阀套拐角处的漩涡尺度逐渐减小，相应位置处的气穴区域逐渐减小；阀套通孔内气穴区域逐渐增大；（3）阀芯锥角的改变使油液流经阀口的射流角发生了改变，进而导致流场发生了改变，气穴发生的位置发生了改变，气穴严重区域体积也发生了变化。

 

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       流道改进   通过上节对不同阀芯半锥角下的流场仿真情况进行分析，发现改变阀芯半锥角并不能对气穴现象进行有效的抑制。从仿真结果的速度矢量图以及流场流线图可以看出，油液流经阀口后即在阀口靠近阀芯侧以及靠近阀套侧产生两个漩涡。本节考虑对阀套以及阀芯锥面与圆柱相交处进行倒圆角，改善油液流动状况，对锐边阀口进行改善，从改变油液在阀口处的压力梯度使流线变得更为平滑。根据上节仿真分析，选取半锥角为２５°的情况对阀口流场进行改进。阀口开度０．５ｍｍ（此时的阀口开度与额定工况下阀口的实际开度较为接近，额定工作压力下流量）。主次相间转化选取Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ模型。边界条件设置如下：压力入口７０ＭＰａ，压力出口１００ｋＰａ。在流场改进后，阀口处流体的速度矢量不再呈放射状，阀口最大流速也从２９６．１ｍ／ｓ降低至２３８．８ｍ／ｓ；（２）在阀口流场改进后，阀口①②③处的漩涡尺度变得更小；（３）阀套拐角处、阀套通孔处气穴区域体积显著减小，最大气体体积比由１００％减小至９９．８％，气穴严重区域体积比由１．２６％降低至０．７５％。

       为探究阀内部流场气六产生的机理以及如何对气穴现象进行抑制，对超高压溢流阀的流场进行了仿真研究。首先用三维建摸软件对阀的内部流场进行抽取，然后用商业化的ＣＦＤ计算软件Ｆｌｕｅｎｔ对流场进行了数值模拟。主要研究了气穴产生的机理，以及阀口开度不变的情况下入口压力，阀芯半锥角等因素对气穴产生影响的规律，在仿真分析的基础上，对阀口流道进行改进，在一定程度上抑制了阀内流场的气穴现象的发生。

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