贺 杰， 刘秀梅， 李贝贝， 戴真真， 乔淑云， 洪从华
(1. 徐州工程学院 电气与控制工程学院，江苏 徐州 221018; 2.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116)
滑阀是液压控制阀中应用最为广泛的阀类[1]，对系统性能好坏起关键性作用。当阀芯相对于阀体呈小节流口、高压差时，阀口极易产生空化现象，引发诸如材料损伤、振动以及噪声等现象[2-3]，是影响液压系统控制精度的重要因素之一。滑阀阀口结构形式多样、流道尺寸小、内部流场形式变化剧烈等特点，因此如何确定节流槽的结构形状、获得精确的流量曲线，实现节流槽内部流动状态的准确预测显得尤为必要[4]。
对于节流槽阀口流场特性的研究，文献[5]通过轴向柱塞泵配流盘切口(V型槽)附近的喷射流动可视化分析，指出含3个V型槽的配流盘可以抑制空化效应。文献[6]对多路阀双U型节流槽气穴流动进行了数值分析，指出双U型节流槽长度、槽半径、两槽底间距离的组合可以实现对气穴的抑制作用。文献[7]分析了不同节流槽深度对节流阀内部油液压力场、速度场及空化区域的影响。文献[8]解析推导了三种典型阀口过流面积，并分析了阀芯移动过程中发生的阀口迁移现象。文献[9]讨论了节流槽形状对过流面积、流量、射流角度、液动力和节流刚度等流场特性参数的影响。文献[10]对液控换向阀内流场和动态响应进行了数值模拟，指出阀口开度越小、流量越大，轴向力和气穴产生的可能性都增大，并且阀口形状对内流场和动态响应有显著影响。文献[11]分析阀口开度、流量变化对于阀芯壁面压力分布及其稳态液动力的影响。文献[12]研究了节流槽内的空化流及不稳定现象，指出节流口处是空化形成的主要区域。文献[13]讨论了不同阻尼孔宽度、深度和相对位置下的阀芯液动力和流量损失情况。
二级节流是减轻控制阀中空化现象的有效结构形式[14]。目前对于双U型节流阀阀口流道情况的研究还不够完善，仍须对其进行深入研究。因此，本文设计了U型节流阀可视化试验平台，并结合数值模拟和试验的手段分析了双U型节流阀节流口的流场特性及其影响因素。本文的研究结果可为节流阀内流体的运动规律、槽口处空化现象以及滑阀结构参数的优化设计提供依据。
图1为试验装置示意图。泵站用来给整个液压系统供油。泵站出油口与蓄能器连接，通过蓄能器达到减弱系统中压力波动目的。涡轮流量计实时监测油路中流量变化情况。为了观测节流阀中油液流动和产生空化时的状态，试验所用滑阀由阀体、阀芯组成，该阀体采用透明有机玻璃(PMMA)材料加工而成，从而能够实现流场的可视化。阀芯选用45#钢加工且带有不同槽口结构。阀体两侧及上下两面有金属加强板，提高透明阀体的耐高压能力。通过溢流阀调节试验阀进口压力，节流阀调节试验阀出口压力，并通过两个压力表实时显示进出口压力数值大小。背压阀出口通过油管接入风冷却器，降低液压油温度、减少温度对试验结果的影响。试验过程中采用46号抗磨液压油，密度889 kg/m3，动力黏度是 0.036 kg/m·s。
为了捕捉透明节流阀阀口流场特性，选用Phantom VEO 710L型高速相机进行拍摄，拍摄帧率为2×104fps，拍摄图片像素为256像素×256像素。试验过程中采用卤素光源进行背部打光，光源与高速相机分别位于透明试验阀两侧。光源、高速相机与试验阀同轴放置。
2.1 阀口特性分析
图2为双U型节流阀流道结构简图，双U型为两个U型槽组合，且对称分布于阀芯两侧。尺寸较小的为一级槽U1，一级槽半径为r1，尺寸较大的为二级槽U2，二级槽圆弧半径为r2，h1为一级节流槽深度，h2为二级节流槽深度，K表示阀口开度，节流槽总长度固定。双U型节流槽多个节流面共同节流，油液由入口流入阀腔，依次通过二级槽、一级槽再由阀口流出。当阀口开度较小时，一级槽对节流起主要作用，主要用来微调流量；
在大开度下，二级槽则决定了阀口流量的调节幅度。
图3(a)为流动示意图，其节流面有4个：一级节流槽表面A12和截面A11；
二级节流槽表面A22和截面A21。对于复杂槽口的过流面积可以认为是多个节流面的串、并联效应。各节流面串、并联效应原理如图3(b)所示。
A11与A21串联等效得AU1，AU1与A12并联后再与A22串联等效得双U型节流槽的阀口面积AUU，等效计算式为
(1)
(2)
图4为根据式(1)绘制双U型节流槽过流面积随开度变化曲线。当开度较小时，过流面积呈陡斜式上升，且一级槽深度h1越大，过流面积变化率越大。随着开度的增加，等效面积增加趋势变缓。由于开度较小时一级槽起节流作用，h1深度越深，A11面积及面积增长率越大，这就导致小开度下h1=0.7 mm槽口等效过流面积最大，且过流面积变化率最高。h1=0.3 mm等效过流面积最小，面积增长趋势较为平缓。因此，U型节流阀空化流场与开度、一级槽深度h1密切相关。
2.2 数值计算模型及参数设置
本文采用ANSYS Fluent 15.0对节流阀流场进行数值模拟，利用ANSYS Meshing模块进行网格划分。由于双U型节流槽内部流道比较复杂，节流槽口附近流动状态发生强烈变化，槽口附近的网格需要进行加密处理。为了保证良好的计算精度及计算资源的合理利用，采用了半切模型，并对网格进行无关性验证，最终确定双U型节流阀所采用的网格单元数为910 656，网格最小尺寸为0.02 mm×0.02 mm×0.02 mm。进口采用压力入口(pressure-inlet)边界条件，出口采用压力出口(pressure-outlet)边界条件；
其他边界设置为壁面，壁面采用无滑移条件。半切模型对称面设为对称面边界(symmtry)，环境操作压力设为0。计算过程中采用一阶迎风格式离散化，残差水平均设置为0.000 1。
由于研究的是不同双U型节流阀口内的空化两相流动特性，选取了采用Fluent环境下的混合模型(mixture)模型，标准k-ε模型作为流体运动的湍流模型，Schnerr-Sauer模型作为空化模型。控制方程则采用连续性方程、动量方程、体积分数方程及Rayleigh-Plesset方程。
试验中透明阀入口压力保持5.0 MPa，出口压力保持0.5 MPa。图6为不同工况下节流槽口流量变化曲线，仿真得到的流量与试验所测流量变化趋势一致。随着开度的增加，流经节流阀的流量逐渐增加。当开度小于0.8 mm时，试验流量值较仿真流量值略小。随着开度的不断增大及试验时间的延长，油液流量增大，系统温度的升高导致液压油黏度减小，促使试验测得的流量值大于数值仿真结果。
图7为双U型节流阀在开度为0.7 mm，Pin=5 MPa，Pout=0.5 MPa典型流场情况。图7为双U型节流阀内的典型流场情况。从图7(a)可以看出，油液从进口进入，在一级节流槽出口截面形成出射射流。当节流口处压力低于饱和蒸汽压时，会出现空化现象。节流槽出口处的泡群呈黑色片雾状，且与出口截面呈一定角度、稳定存在。从图7(a)中可以看出：空化区域大小及空化强度在阀芯左右两侧流道中均相同，因此重点关注左方流道的空化区域分布。图7(b)为图7(a)方框中对应的局部放大照片，阀口处空化区域较为狭长，受高速射流的影响，空泡流与阀芯出口截面呈一定角度，且指向阀腔下游。图7(c)为对应的数值仿真结果，根据文献[15]采用气体体积分数作为空化程度及空化区域衡量的依据。空化区域位于节流槽出口处，且越靠近阀腔壁面气体体积分数越大，空化发生越激烈。试验所拍摄到空化区域位置及空化区域形状与仿真得到的结果基本一致，空化强度和长度有区别主要是因为仿真过程中忽略了油液的温度变化、可压缩性以及流道表面粗糙度等因素的影响。
图8为双U型节流阀内部流场压力和速度分布图。图8(a)表明：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。油液经过双U型节流槽时，有两次降压过程，一级节流槽口的压力明显低于二级节流槽口。油液从一级节流口流出后进入下游流道，流动空间增大会导致压力回升。图8(b)可以看出：高流速区主要集中在节流槽口及下游流道中心。节流口处流速最高可达90 m/s，且该高速射流与阀壁呈一角度，这也是图7中形成狭长空化流的原因。
4.1 工作参数对双U型节流槽口内空化特性的影响
图9为不同开度下双U型节流阀口内流场分布情况，此时pin=5 MPa，pout=0.5 MPa。当节流阀开度介于0.3～0.9 mm时均有空化现象发生，主要位于节流槽出口壁面处。随着开度不断增加，空化区域及空化强度均呈现先增强再减弱的趋势。双U型节流槽结构速度和压力梯度较大，且存在漩涡，流动较为复杂。当双U型节流阀开度较小时，流体流经一级节流槽时通道狭窄，流体流动的阻力较大，抑制空化气泡的析出和成长。此外，油液的黏性作用会抑制高速流体流向突变，从而减弱流体脱离壁面的程度，降低了流场的流速及高速区域大小，使空化更不容易发生。随着开度的增大，节流槽过流面积增大，流动阻力及油液的黏性作用减小，气泡更易于析出和成长，因此，在开度为0.5 mm附近空化强度增强，空化区域增大。随着开度的进一步增大，双U型节流槽各个节流面均起到分压作用，节流槽内压力变化更加平缓，空化区域及强度随之减小。由试验结果可知：不同阀口开度下阀腔下游空泡群产生的位置相同，均发生在节流槽出口近壁面处。随着开度的增大，空泡团由刚开始的团状逐渐收缩为细长状，空化泡群延长，空化强度逐渐减弱。因为随着开度的增加，流体射流角度和流速的改变，使得高速流体在阀腔下游轴向速度增加，促使气泡随流体运动的距离加长。此外，由于在数值仿真过程中忽略了油液温度、可压缩性、含气量，节流槽加工精度、表面粗糙度等因素的影响，因为仿真和试验结果获得的空化流场外观有一定的区别。
节流阀进出口压差也是影响空化流场的一个重要特性。图10为入口压力5 MPa，出口压力不断增加情况下双U型节流阀内空化流场的变化情况。空化区域及空化强度均随着出口压力的升高而减小。当背压为0.3 MPa时，阀口内空化异常剧烈，近壁面处气体体积分数比较大、呈饱和状态。随着出口压力升高，空化区域范围很快向阀口处缩减，空化强度也随之减小。因此提升出口压力可以有效地抑制空化。
4.2 结构参数对双U型节流槽内空化特性的影响
由图4讨论可知一级槽深度h1是影响阀内流场的一个重要原因，因此，探讨了开度为0.5 mm，Pin=5 MPa，Pout=0.5 MPa工况下，一级槽深度h1对双U型节流槽空化特性的影响。图11一级槽深度分别为0.3 mm,0.5 mm,0.7 mm时的双U型节流阀空化流场。尽管一级槽深度逐渐增加，节流槽出口处均有空化现象产生，空化区域及空化强度亦逐渐增强。改变一级槽的深度时，节流槽出口处空泡形态变化不大，只是长度变大了。但是一级槽的深度增加时，空泡在下游阀腔内呈现的角度不同，该角度与节流槽内流束射流角一致。当一级槽深度0.3 mm时，空化呈团状，依附在节流阀口。当一级槽深度0.7 mm时，空泡群与节流槽出口处的角度增大，在高速射流的作用下空泡群密度增大，且阀腔近壁面处有大量微小悬浮气泡。
图12为不同一级槽深度时双U型节流阀内部流场的速度与压力分布云图。从图12(a)速度云图可以看出，不同深度参数下节流阀内均有高速流产生，且一级槽深度值越大，高速流范围越大。高速流射流角度受节流槽结构的影响，随着一级槽深度的增加不断增大。当一级槽深度为0.3 mm时，流束在节流面A11处收缩形成高速流，节流槽内油液流动阻力较大，流体的黏性作用抑制了高速流的产生，不利于空化的产生。当深度达到0.5 mm时，一级槽高度增加，节流面A11对流体节流作用减弱，过流面积增大，流体的黏性阻力减弱，高速区域明显增大。当一级槽深度达到0.7 mm时，高速流区域继续扩展，节流面A12附近压力梯度逐渐增加，低压区范围增大，从而导致阀口处空化区域及空化强度不断增大。从图12(b)压力云图可以看出：节流阀内的压降主要集中在一级节流槽内，随着一级槽口深度的增加，二级槽内的压力不断降低。这主要是由于一级槽深度较浅时，对流体的阻碍作用较强，油液堆积在二级槽内形成较高的压力区域。随着槽口深度的增加，过流面积增大，流体的黏性作用减弱，节流槽内的油液可以更加顺畅的流向一级槽，二级槽内压力随之降低。槽口深度为0.3 mm时，压力梯度较大的区域主要分布在节流面A11。节流面A12的分压作用不显著。随着一级槽深度的不断增加，主要压降区域位置发生改变，由节流面A11逐渐向节流面A12转移。
图13为不同节流槽深度情况下，流道中心线上速度和压力分布情况。从图13(a)可以看出：当流体从A点流向B点时，速度均缓慢上升，在流经B点时，由于节流面A11对流束起收缩作用，槽内流速迅速上升，且槽口深度越浅，速度变化率越高。在轴向距离CD段，油液从节流阀口流出，并在阀腔拐角形成回流区，回流区中心速度相对较低，因此在D点附近速度存在一个先下降后上升的趋势。受高速流射流角度不同的影响，速度最高点在阀腔下游几何中心线上出现的位置不同，由于一级槽深度0.7 mm时流束射流角度较大，所以最大速度位置最先出现。此后，油液流向E点时，通流面积增大导致液压油流动速度降低至5 m/s左右。从图13(b)可以看出：一级槽深度的变化对双U型节流槽内部压力变化有显著影响。不同一级槽深度的双U型节流阀，尽管内部压力值在A点大小不同，但在AB段的压降梯度相差不大。观察BC段，一级槽深度为0.3 mm时，节流槽内部压力由B点的4.8 MPa下降到C点的2.1 MPa，压降达到2.7 MPa。而一级槽深度为0.7 mm时的槽内压力由B点的4.6 MPa降到C点的4 MPa，压降仅为0.6 MPa。BC段压降是一级槽开始起分压作用所引起的，一级槽深度越浅，流体在接近一级槽时流体阻力越大，由一级槽竖直节流面承担的压降就越大，BC段压力差值越大。当流体流过CD段时，由于该处节流槽结构复杂，存在局部阻力，造成流体的局部压力损失，压力呈阶跃式下降，压力降低至饱和蒸气压。观察D处可以发现，一级槽深度较浅时，最低压力值较高，压力恢复速度快，随着一级槽深度的增加，最低压力值降低，压力恢复速度降低，更有利于空化泡的析出与成长。
为了进一步说明槽口深度对空化发生程度的影响，提取空化面积随一级槽深度变化曲线，如图14所示。当进出口压差保持恒定情况下，空化面积随着一级槽口深度增加而增大。这主要是由于随着一级槽深度变深，节流槽阻力减小，压力恢复变慢，流体经过节流口处压力骤降，造成大范围的低压区域，空化面积变大。由此可以得出，合理控制双U型节流槽深度或增加节流槽内部阻力,可以有效地抑制空化发生程度。
本文采用试验研究与数值模拟结合的方法，分析了双U型节流阀内部空化流场及其影响因素。研究结果表明：双U型节流阀空化区域主要发生在节流阀口附近，空化区域及空化强度随开度的增加呈现先增大后减小的趋势；
提高节流阀的出口压力，有利于阻碍低压区的发展，对空化现象有抑制作用。此外，由于双U型节流阀多个节流面共同节流，节流槽内压力梯度较小，不利于空化泡的析出和成长。当开度比较小得时候，一级槽深度是影响阀内流场的重要因素。随着一级槽深度的增加，节流槽阻力减小，高流速区范围增大，空化区域及空化强度逐渐增强。减小一级槽深度可以有效抑制空化。本文的结果可为深入探讨液压滑阀节流处空化机理，明确空化现象造成的滑阀阀芯失效原因，提高节流阀性能、降低系统振动噪声和延长节流阀服役寿命提供借鉴。