基于Fluent的节流阀油液空化流场数值分析

李贝贝，刘秀梅，2，3，龙 正，贺 杰，李文华

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116；2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027；3.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）

基于Fluent的节流阀油液空化流场数值分析

李贝贝1，刘秀梅1，2，3，龙 正1，贺 杰1，李文华1

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116；2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027；3.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）

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。

节流阀；流场分析；空化；数值模拟

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］。液压节流阀作为液压系统控制元件，在液压技术中扮演着十分重要的角色，但其噪声问题比较严重，严重制约了液压技术的发展。由于空化现象是诱发液压元件噪声的最普遍、最主要原因之一，它直接影响到液压系统的稳定性［4］，因此充分了解液压节流阀阀腔内的流动规律，研究阀芯、阀座与流体的相互作用机制就显得十分必要。

国内外研究者对液压元件内空化现象做了大量的研究。Oshima等［5］利用半切模型对锥阀气穴流动进行了细致的研究，在半切锥阀的平面上覆盖有机玻璃板用来观察气穴，得出锥阀流向与气穴、流量和噪声特性的关系。Jazi等［6］通过特性要素图及声发射两种方法研究球形阀内的空化空蚀现象。王松林等［7］数值模拟了小流量工况下离心泵内瞬态空化流动情况。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室［4］从流场数值模拟和实验可视化角度研究了锥阀与球阀阀口的气穴流动及溢流阀中的气穴噪声。刘晓红等［8］提出了3种基于压力分布模式来评价液压锥阀内空化噪声。于今等［9］运用CFD数值模拟了板式节流阀内部流场，指出阀芯处的气蚀以及阀出口处的漩涡流是诱发阀芯和阀体振动的主要原因。偶国富等［10］数值计算了阀内空化场并提出了空蚀预测方法。Liu等［11］指出空化噪声是换向阀内噪音的主要组成部分，主要由流场中气相改变造成的。刘恒龙等［12］数值分析了四种不同阀口形状下液压锥阀内部空化流场，提出了三种锥阀的改进结构。但现有文献对以油为工作介质的液压阀体内空化现象的深入研究还很少，空化机理尚不清楚。此外，多数文献都是研究阀口开度较大或开度间隔较大情况下节流阀内部的流场特性，开度细微变化和小开度时节流阀内的流场分析较少，且对空化区域大小和空化程度强弱没有定量的表述。因此，本文主要运用Mixture模型及Singhal等发展的空化模型针对不同开度下节流阀阀口附近液压油的空化现象。

1 计算模型与控制方程

1.1 计算模型

考虑到节流阀内空化主要发生在阀口附近，且阀口附近流道具有中心对称性，所以在CFD仿真中采用图1所示节流阀内部流道空化仿真的旋转轴对称模型，其中定义X为节流阀开度。为了完成阀口空化的数值仿真，本文做出如下假设：液压油为不可压缩流体，空化泡内气体介质为液压油蒸汽，空化流动过程视为恒温绝热过程，且忽略重力的影响。入口边界压力为0.8 MPa，出口边界压力为0.2 MPa，axis为旋转轴。

图1 几何模型（单位：mm）Fig.1 Numerical Models

1.2 控制方程组

在节流阀内空化流动的计算选用了Fluent软件中的Mixture模型，且空化流动采用Singhal等发展的全空化模型完成计算。其中在Mixture模型假定下，在较小的空间长度尺度范围内，液相和空泡相相间耦合强烈且满足局部平衡条件。因此，可以将空化流动中流体相和空泡相作为统一的流体进行研究，即采用如下控制方程组［13－14］：

（1）连续性方程

混合流体相：

式中，ρm为油相与泡内气体相混合流体的密度，ρv、ρl为分别为空泡相（液压油蒸汽）、流体相（液压油）的密度，vm为混合流体的速度矢量，αv、αl分别为空泡相、流体相的体积分数，Re为油蒸汽产生率，Rc为油蒸汽凝结率，p为流体静压力，Ev、El分别为空泡相、流体相能量，T为流体的温度，keff为有效导热系数。

其中，为了描述空化的发生与溃灭过程，空化流动过程中油蒸汽产生率Re和凝结率Rc由描述空泡动力学特性的Rayleigh-Plesset方程（式5）导出

式中，RB为空化泡半径，pB为泡内压强，μ为液压介质黏性，σ为液压介质表面张力。

此外，本文所采用的湍流模型为基于Boussinesq假设的雷诺应力关联式［15］：

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式中，ρ为流体密度，u′i、u′j分别为x，y方向上的脉动速度分量分别为x，y方向上的平均速度分量，k为单位质量的湍流脉动能，ut为涡黏性系数，δij为单位张量。

1.3 计算方法及边界条件

针对上述控制方程组在空间进行离散，采用SIMPLE算法实现速度和压力之间的耦合，压力项离散格式采用Standard格式，其它项采用一阶迎风格式。针对图1所示的流道几何模型采用非结构化四边形网格对计算区域进行网格划分，并结合流动特点对流道阀口位置及阀口后部空化区域设置较密的网格。同时根据该网格划分方案计算不同密度的两种网格并对数值解进行了网格无关性验证，最终确定本文计算所采用的网格单元数61129。在计算的进口边界设定绝对进口压力0.8 MPa，出口边界设定绝对出口压力0.2 MPa，同时进出口边界的空泡相体积分数均为0，壁面采用无滑移边界条件。此外，计算过程中均采用较小的松弛因子以提高计算的稳定性。

2 数值结果分析

基于上述数值计算模型，本文完成开度分别为2、1.5、1.2、1、0.8、0.6、0.4、0.2mm时节流阀内部空化流场。

2.1 速度场分析

如图2及图3所示的不同开度下节流阀内流速大于等于30 m／s的流场分布，图中虚线分别为不同开度下流速等于30 m／s的速度等值线，实线分别为不同开度节流阀的流道内边界。此外，本文同时得到了不同开度下节流阀内最大速度的变化曲线，如图4所示。从图2～图3中容易得出：由于通流截面积的突然缩小会导致流速升高，所以节流阀口处和节流口下游流道中心有高流速区域出现，且这一高速区域的大小及最大流速均随着阀口开度减小而增大，其中最大流速从开度为2.0 mm时的35 m／s增加到开度为1.0 mm时的38 m／s；但开度降低到1.0 mm后，由于通流面积的减小，液体黏性阻力的作用使得最大流速降低，高流速区域亦逐步变小且主要集中在节流口缝隙内，最大流速则从38 m／s减小到开度为0.2 mm时的34 m／s。

图2 大开度下30 m／s速度等值线图Fig.2 Velocity isograms under large openings

图3 小开度下30m／s速度等值线图Fig.3 Velocity isograms under small openings

图4 不同开度下节流阀内最大流速Fig.4 The Maximum velocity under different openings

此外，在上游槽底部和阀芯顶端处容易产生旋涡，节流阀阀腔拐角处也极易出现流体脱离而成为低流速区，如图5（a）～（h）所示的不同开度下节流阀内流体流线图。从图中可以看到阀口流线转折处产生流体分离现象，并出现涡流。在上游阀座拐角处、阀芯顶端及阀腔拐角处附近存在三个非常明显的回流区。阀座拐角处的旋涡尺度小，强度大，而下游旋涡尺度大，强度弱。回流区流速及旋涡强度都较强，消耗主流能量较大，导致压降与能量的降低。旋涡中心压力也较低，这些低压区的存在是导致流体气穴产生的主要原因。从流线图中还可以看出，改变阀口开度，流场中旋涡的尺度与强度亦会发生改变。下游的旋涡的位置也发生了改变。与阀口开度2 mm的流场比较，阀口开度为1.2 mm时，阀腔拐角处旋涡尺度变大，阀座拐角的旋涡流线加密，下游旋涡流线变疏，且回流中心向下游方向移动，所以阀座拐角处的旋涡强度增大，下游旋涡强度减小。这主要是由于阀芯倒角与阀座锐缘相对位置的改变导致液体流向发生变化而引起的。气穴集中在旋涡中心，其次阀芯顶端及阀腔拐角处也有少许气穴。随着开度进一步减至0.8 mm，阀芯顶端处旋涡流线加密，上游阀座拐角处旋涡面积变小，下游阀腔拐角处回流区面积持续呈减小趋势，但回流中心向上游方向移动。

2.2 压力场分析

图6（a）～（h）是不同开度下节流阀内压力分布图。从图中可以看出：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。低压区域主要分布在节流口下游壁面处和阀芯倒角处，压降区主要分布在节流口附近，这与文献［16］高速观测中气穴出现的位置吻合。

如图6（a）～（c）所示，当开度从2 mm减小到1.2 mm时，节流口下游阀腔拐角处低压区（蓝色区域）逐步向下游及流道中心扩展。此外，油液喷出阀口后，在节流口处形成较大压降，节流口处压力从0.75 MPa减小到0.002 4 MPa，这是因为节流阀开度越小，节流口节流作用越强，节流口缝隙成为压力降低的主要区域。当开度继续从1.2 mm降低到0.2 mm时，如图6（d）～（h）所示，流道内低压区向节流口处萎缩，节流口处压力梯度进一步增大。其原因为：此时节流阀开度较小，流体通过节流口时流速较高且受节流阀阀芯倒角影响较大，流体流向会发生转变，导致高流速流体的流动区域发生改变，从而导致低压区呈缩小趋势并向节流口处转移［16］。

图5 不同开度下的流线图Fig.5 Flow charts under different openings

图6 不同开度下节流阀内压力分布云图Fig.6 Pressure contours under different openings

2.3 空化区域分析

气体体积比作为空化程度以及空化区域的衡量依据［10，17］，图7～图8为不同开度下节流阀内空化区域分布图，即气体体积分数大于等于1%的等值线图。从图中可以看出：当节流阀开度介于0.2～2 mm时节流阀内部均有空化现象发生，且主要发生在阀腔拐角处回流区内。阀腔拐角处的低压区对应的气体体积比最高，阀芯顶端旋涡流型区的气体体积比也相对较高，由此可见气穴发生的程度与流场压力分布有直接的关系。由于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，这与文献［13］中实验观察到的气穴发生区域基本一致。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。即开度从2mm降至1.2mm过程中，空化强度逐步增加，空化区域迅速增大；节流阀开度从0.6mm降至0.2mm过程中由于狭窄的流道增大了流动阻力，降低了流场的流速，从而抑制了空化的初生，所以空化强度迅速减弱，空化区域逐步缩小。

图7 大开度下气体体积分数1%等值线图Fig.7 Cavitation isograms under large openings

图8 小开度下气体体积分数1%等值线图Fig.8 Cavitation isograms under small openings

3 结 论

本文通过数值模拟的方法对不同开度下节流阀内液压油的流场进行了研究，分析了节流口开度变化对节流阀内部空化现象的影响。研究结果可对液压节流阀结构在节能、降噪等方向的优化设计具有一定的参考意义。本文具体结论如下：

（1）节流阀开度的变化会影响节流阀内部油液低压区面积和压降区域整体分布。随着节流阀开度减小，低压区呈先扩大后减小趋势。

（2）随着节流阀开度减小，节流阀内液压油最大速度呈先增大后减小趋势，高流速区域呈向节流口处先扩展后萎缩趋势；阀腔拐角处回流区面积也随开度减小呈先扩展后萎缩趋势，这是由于通流截面积和粘性阻力共同作用的结果。

（3）当节流阀开度较大时，空化区域较小且空化强度较弱。随着节流阀开度进一步减小，空化区域逐步增大且空蚀程度逐渐加深，当开度很小即接近闭合时，空化强度迅速降低，空化区域逐步萎缩至节流口处。

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Simulation and analysis for cavitation flow field in a throttle valve based on Fluent

LIBei-bei1，3，LIU Xiu-mei1，2，3，LONG Zheng1，HE Jie1，LIWen-hua1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；3.Jiangsu Key Laboratory of Mine Mechanical and Electrical Equipment，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Based on computational fluid dynamics，characteristics of cavitation flows in a throttle valve with different openings and pressures were studied.The influences of opening on flow pressure，flow velocity and cavitation region were also investigated.The numerical results showed that themaximum pressure is located at the upstream of the flow channel，and theminimum pressure is located at the downstream of the flow channel；the pressure gradient for oil flowing increaseswith decrease in opening；the low-velocity regin of oil is at 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 the top of valve rod，the corner of the channel and the corner of the valve seat，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.

throttle valve；flow field analysis；cavitation；numerical simulation

TH137；O359

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.010

国家自然科学基金（51209203，51309221，51205391）；江苏省自然科学基金项目（BK2012131）；浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室（GZKF－201317）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

2014－06－04 修改稿收到日期：2014－08－07

李贝贝男，博士生，讲师，1984年生

刘秀梅女，副教授，1982年生