基于重叠网格的阀芯振荡诱导空化的数值模拟.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.009基于重叠网格的阀芯振荡诱导空化的数值模拟王世强,马兆壮,朱斌权,张旭，闵同为，郑直（兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 30 0 50)摘要：锥阀作为调压阀在工作过程中受到外部激励作用不可避免的会发生轴向振荡，诱导流场中出现空化现象，空化初生、发展及溃灭与阀芯振荡耦合在一起,导致整个液压系统的压力发生大幅波动。针对这一问题,基于OpenFOAM开源平台二次开发出具有动态重叠网格功能的两相空化流求解器，对阀芯振荡诱导空化现象进行数值模拟，结合实验与数值计算结果得出：阀芯振荡关阀阶段阀腔中油液受到惯性作用向出口流动，产生大范围低压区，在低压影响下促使气核剧烈膨胀，在阀腔下游产生二次空化；阀芯振荡开阀阶段阀口处压力梯度大,压差驱动油液高速通过阀口产生射流，导致阀口处形成射流空化，这将为高性能液压阀的设计提供理论依据。关键词：阀芯振荡；空化;重叠网格OpenFOAM中图分类号：TH137(College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)Abstract:As a pressure regulating valve,the poppet valve will inevitably oscillate axially under the external excitation during the workingprocess,inducing cavitation in the flow field,and the initial birth,development and collapse of cavitation are coupled with the oscillation of thevalve core,resulting in large fluctuations in the pressure of the entire hydraulic system.In order to solve this problem,based on theOpenFOAM open source platform,a two-phase cavitation flow solver with dynamic overset mesh function was developed for the second time,and the numerical simulation of the cavitation induced by the valve core oscillation was carried out,and the results of the experiment andnumerical calculation were combined:the oil in the valve cavity in the valve cavity in the valve spool oscillation closing stage was inertia to flowto the outlet,resulting in a wide range of low pressure area,which promoted the violent collision of gas cores under the influence of lowpressure,and produced secondary cavitation downstream of the valve cavity;The pressure gradient at the valve port in the spool opening stageis large,and the pressure difference drives the oil to pass through the valve port at high speed to generate a jet,resulting in jet cavitation at thevalve port.This will provide a theoretical basis for the design of high-performance hydraulic valves.Key words:spool oscillates;cavitation;overset mesh;OpenFOAM0引言在液压系统中各种功能的实现需要对压力、流量以及流动方向进行控制，液压阀就是实现控制功能的元件,因此液压阀的性能决定了液压系统的性能 1。锥阀因密封性好、结构简单、抗阻塞能力强等优点成为液压系统中普遍且重要的控制元件，常作为压力调节阀以调节或限定系统压力。工作过程中，受到外部激收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 4基金项目：国家自然科学基金（5146 50 33,5156 50 2 7）作者简介：王世强（19 9 8-），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，现从事计算流体力学、基础液压元件研究。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 47-0 6Numerical Simulation of Spool Oscillation Induced Cavitationwith Overset MeshWANG Shi-qiang,MA Zhuang,ZHU Bin-quan,ZHANG Xu,MIN Wei,ZHENG Zhi励的作用,阀芯极易出现轴向振荡,导致整个液压系统的压力发生大幅波动。并且阀芯振荡会诱导流场中出现空化现象，空化的初生、发展及溃灭也会使压力产生波动。阀芯振荡现象与空化现象耦合在一起，严重影响了液压系统的调压精度和工作可靠性。闵为等 2 采用可视化实验对锥阀振荡过程空化现象进行研究，发现阀芯在失稳振荡时，阀芯会出现撞击阀座与不撞击阀座两种情况，当阀芯撞击阀座式会产生大量气泡出现在阀口尾部，当阀芯不撞击阀座时阀口会出现有空化与无空化两种情况，且有空化时阀芯振荡与压力波动明显大于无空化时。赵鹏坤等 3 设计了一种渐扩型阀口流道结构，通过可视化实验研究进口压力对阀口空化现象的影响。刘子晨等 4 基于47液压气动与密封/2 0 2 4年第3期OpenFOAM软件中的动网格功能对锥阀阀芯振荡过程进行数值模拟,将阀芯振荡周期与阀芯振荡幅值对阀口处空化的影响进行了详细分析。陈晏育等 5 使用Fluent软件对锥阀内流与外流两种不同情况下的流场进行分析,并根据数值计算结果对锥阀结构进行优化。王银等 6 设置不同锥阀阀芯锥角与阀口开度进行数值模拟,分析相关因素对空化的影响,通过对阀芯结构改进,在一定程度上抑制了空化现象。贺杰等 7 对锥形节流阀进行数值模拟，分析了流道背压对锥形节流阀流道内压力、速度和空化区域分布的影响。袁聪等 8 通过OpenFOAM平台搭建可压缩的两相空化流的数学模型,对直角阀座锥阀的空化射流进行三维动态模拟，将流场中的空化结构与压力分布进行了详细分析。上述研究用不同软件和方法剖析了锥阀内部流场，但关于阀芯振荡过程空化现象尚未得到透彻的研究,因此,本研究基于OpenFOAM开源平台3个版本之一的foam extend 4.1二次开发出具有动态重叠网格功能两相空化流求解器，针对阀芯振荡过程诱导空化现象进行瞬态数值模拟，通过对流场进行分析，从流体力学的基础层面上分析锥阀阀芯振荡过程的流场结构动态特性。14139X8516由有机玻璃制成,可使高速摄像机2 1清楚地拍摄到阀芯17 的轴向运动与阀内流场变化情况；阀芯17 通过连杆与位移传感器19 相连，用以测量阀芯的轴向运动位移。实验时,先将回油节流阀11调至最大开口,逐步调节进油节流阀12，使流经实验模型的流量从0.6L/min开始,以0.2 L/min为间隔逐渐增加,其最大值不超过3.8 L/min。实验进行时，先启动高速摄像机21和数据采集仪2 3，然后让换向阀8 换向，以便完整地记录锥阀振荡过程，直至达到稳定状态。具体实验参数如表1所示。通过压力传感器15和压力传感器2 0 可以得到锥阀在阀芯振荡过程中进出口压力数据,通过位移传感器19 得到阀芯振荡过程中阀芯的轴向位移。从持续7 s的实验数据中截取一段时间进行展示，如图2所示。表 1 试验参数参数类型阀芯半锥角/()弹簧刚度 k/N mm=119181615数值1020.5阀座直径dm/mm4P2021口口23流量Q/L min-122油液密度p/kgm3油液温度T/动力黏度/Pas1.2阀芯位移3.5863440.079进口压力51.036121.定量泵2.油箱3.温度计4.回油过滤器5.压力表6、9.溢流阀7.单向阀8、10.电磁换向阀11、12.节流阀13、14.压力表15、2 0.压力传感器16.阀套17.阀芯18.弹簧19.位移传感器2 1.高速摄像机2 2.计算机23.同步数据采集仪图1实验系统原理图1阀芯振荡诱导空化试验实验系统原理图如图1所示，实验模型中的阀套48430.8uuu/x0.60.40.20.05.00图2阀芯位移与进出口压力曲线2出口压力05.015.025.03t/s5.045.055.06锥阀内流场的情况。对照试验中的锥阀结构绘制了如Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024楔形网格可以在节省计算资源的前提下,准确地模拟2数学模型的建立2.1控制方程阀芯振荡与空化现象都属于非定常问题，为解决这一问题本研究基于OpenFOAM开源平台二次开发出具有动态重叠网格功能的两相空化流求解器。其连续性方程、动量方程及相方程为：VU=m(一+pipva(pU)+V.(pUU)=-Vp+VT+okVt(2)ai+V.(,U)=VU+matP1式中,U一一速度m相间物质转换速率源项PI一液相密度Pv气相密度t一时间变量P一压力一表面张力系数K一界面曲率由相间物质转换引起的源项可根据Kunz空化模型计算得到：jmin(0,p-pv)m=Cv0.5p,Utom。=c,P.a i(1-l)t式中，C、一一蒸发系数C。一凝结系数PV一饱和蒸气压2.2重叠网格设置重叠网格基本思想是将复杂的流体域分成多个几何边界简单的子区域，各子区域中的计算网格独立生成，彼此存在着重叠、嵌套或覆盖关系，重叠部分相互插值完成各子区域间的数据交换，重叠网格可以实现物体的大幅度运动并保证网格质量。考虑到使用重叠网格功能进行数值计算需要使用两套网格，在计算三维模型时需要占用大量计算资源，而且锥阀阀芯及阀套都是标准的回转体对称结构，为节约计算资源，提高计算效率,本研究使用OpenFOAM中的blockMesh网格生成工具构造楔形网格来简化实际锥阀的三维模型，图3所示的锥阀结构示意图,L,为阀口上游流道长度，长9.5mm；L 长14.5mm，整体流域长度L为26.5mm,H,与H,分别长2 mm与5.7 5mm。(1)图3锥阀计算域几何尺寸使用重叠网格算法去生成如图3所示的计算域需要分别构建背景网格区域与贴体网格区域如图4a和4b所示。如图4c所示,为背景网格与贴体网格合并成(3)为一套网格,可以看到背景网格与贴体网格的网格大小基本一致，这是为了减少两套网格数据交换时产生的误差。(4)(a)背景网格(5)图4两套网格划分与合并图5网格识别情况及最终得到的计算域此时经过合并得到的网格还需要进行网格单元类型识别与挖洞，将网格单元分成活动网格、受体网格、供体网格和洞网格四类。如图5所示可以看到不同区域网格类型的识别情况，背景网格区域将贴体网格区域锥阀阀芯壁面与弹簧壁面对应的内部网格识别成为49L2L3(b)贴体网格(c)网格合并液压气动与密封/2 0 2 4年第3期洞网格，贴体网格区域将超出阀套的部分网格识别成为洞网格。其中洞网格区域不参与流场计算,将洞网格单元类型隐藏，可以得到最终的计算区域。在计算中随着重叠网格的运动，网格单元属性会在计算过程中不断更新，流体域网格也会不断地发生变化，实现阀芯的运动。2.3阀芯运动设置在OpenFOAM中,设置网格运动需要对constant文件夹下的dynamicMeshDict文件进行设置，使用重叠网格设置动网格属性是设置贴体网格区域在背景网格区域中运动。仿真的初始时刻令阀芯位于轴向运动的中间位置，设定阀芯运动幅值为0.5mm，阀芯运动周期为4 ms，令阀芯进行先开阀再关阀再开阀的反复运动，仿真阀芯位移曲线与实验阀芯位移曲线对比如图6 所示，黑色为实验中阀芯位移曲线，红色为仿真中设定的阀芯位移曲线，可以看到两者吻合良好。1.2一实验真1.00.8uu0.60.40.20.00.0000.001图6 仿真阀芯位移曲线与实验阀芯位移曲线对比重叠网格可以完成网格变形、滑移网格等方法无法解决的问题，实现物体的大幅度运动。通过设置运动属性文件，使贴体网格沿轴向进行运动，阀口处变化情况如图7 所示，随着贴体网格运动，背景网格区域与贴体网格区域中网格的类型不断更新，实现了阀芯振荡的运动过程。阀口关闭图7 阀芯运动过程阀口变化情况2.4边界条件与仿真参数设置在使用重叠网格进行计算时，需要对背景网格区50域与贴体网格区域分别设置边界条件，如图8 a和图8 b所示。其中IN表示为压力入口，OUT表示为压力出口。背景网格中的WALL表示锥阀阀套壁面,贴体网格中的WALL表示为锥阀阀芯与弹簧壁面，AXIS表示回转体的旋转轴，OVERSET表示重叠网格边界,用于确定插值边缘。INOVERSETWALL?AXIS(b）贴体区域边界设置图8 边界设置结合试验的试验条件，本研究采用压力进出口的条件进行计算，边界条件和仿真参数的设置如表2所示。表2 数值模拟仿真参数参数类型数值设定0.0020.003t/s阀口开启WALL?AXIS(a）背景区域边界设置TAXIS0.0040.005OUT液压油密度p/(kgm-3)863液压油动力黏度/（Pa：s）0.079空气密度pv/(kgm3)0.0544空气分离压PsAT/(Pa)4500空气黏度/(Pas)1.789e-5进口压力pin/(MPa)0.354.50随时间变化回油背压Pou/(MPa)0.050.50随时间变化3模拟结果与分析3.1阀芯关闭过程如图9 所示，为阀芯振荡关阀过程可视化试验结果与数值计算结果，通过对比可以看出两者在空化发展过程高度一致，验证了数值仿真结果的准确性。如图10 和图11所示，为阀芯关闭过程不同时刻的速度云图与压力云图，随着阀芯关闭运动，阀口处压Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024致射流自由剪切层一侧部分油液的运动方向与射流运动方向相反，指向阀口，生成反向射流。在关阀2.0ms,此时阀口开度非常小,接近关闭状态,阀腔中的油液仍保持较高速度向出口流动,导致阀腔内形成大范围低压区。通过分析阀芯振荡关闭过程可以发现在阀芯关阀运动时,空化初生的位置是在阀口的下游区域。流场首先受到射流自由剪切层的影响产生局部低压区，形成反向射流与旋涡，在旋涡中心形成游移型空化,生成的游移型空化随着油液在流场中运动变形。随着阀芯alphal不断关闭,阀口开度减小,通流能力降低，从阀口处流0.10.2(a）关阀0.4ms(b）关阀0.8 ms(c)关阀1.2 ms(d）关阀1.6 ms(e）关阀2.0 ms图9阀芯关闭过程数值计算结果与实验对比0.30.40.50.60.70.80.9经的油液减少，而阀口下游的阀腔中原有油液仍受惯性作用向出口流动,导致阀口下游的阀腔中形成大范围的低压区，满足空化的发展条件,促使气核剧烈膨胀发生二次空化。3.2阀芯开启过程如图12 所示，为阀芯振荡开阀过程可视化试验结果与数值计算结果。Velocty(m/s)1020(a)关阀0.4ms(b)关阀0.8 ms(c)关阀1.2 ms(d)关阀1.6 ms(e)关阀2.0 ms图10 商阀芯关闭过程不同时刻速度云图3040506070alphal0.10.20.30.40.50.6 0.70.80.9(a)关阀0.4ms(b）关阀0.8 ms(c）关阀1.2 ms(d）关阀1.6 ms(e)关阀2.0 ms(a)开阀0.4ms(b)开阀0.8 ms(c)开阀1.2 ms(d)开阀1.6 ms(c)开阀2.0 ms图11阀芯关闭过程不同时刻压力云图图12 阀芯开启过程数值计算结果与实验对比力梯度增大，阀口开度减少，促使阀口处油液速度逐渐如图13和图14所示，为阀芯开启过程不同时刻增加。受限于锥阀结构限制，阀口处是受到流场变化的速度云图与压力云图，随着阀芯开启运动,在初始阶影响最大的位置,在阀口处压力梯度最陡峭,且油液在段,由于阀口开度小，上下游压差大，会在阀口处形成经过阀口之前要经过渐缩流过程,产生一个迅猛的加射流。因射流两侧受到不同的剪切力，会形成反向射速，导致油液会在阀口处达到最大值。射流的两侧会流。反向射流区域受到压力的影响不断增大,并且可受到不同性质的剪切流动影响。射流经过阀口之后始以看到射流的自由剪切层一侧存在一个清晰的与阀芯终紧贴在阀芯壁面,向着下游流动，在靠近锥阀阀芯壁轮廓平行的分界线,将射流与阀腔内原有油液区分开。面的一侧明显受到壁面效应的影响,剪切效应是壁面射流撞击到阀芯凸台处壁面，在阀腔中形成巨大的涡边界层效应;在射流的另一侧射流受到油液中黏性作流，这与关阀时形成的射流完全不一样，是受到阀芯运用的影响,属于自由剪切层。射流受到自由剪切层一动方向的影响所产生的变化。阀口下游阀腔的容积也侧黏性作用的影响,并受到阀腔内原有旋涡的作用,导在不断增加,油液堆积在阀腔中形成旋涡。在阀芯开51参考文献液压气动与密封/2 0 2 4年第3期启过程中,阀口处油液的速度随着阀口开度的增加不断降低。射流进人下游阀腔中，通流面积极大的增加，射流始终紧贴在阀芯表面，直到阀芯结构发生突变，射流受到影响,会产生一定的波动。随着阀芯不断运动，波动逐渐消失，射流紧贴于阀芯表面,在阀腔中形成大面积的旋涡，而阀口处由于开度增大，导致阀口处油液速度不断降低，射流强度与射流长度都在减小。102030(a)开阀0.4ms(b)开阀0.8 ms(c)开阀1.2 ms(d)开阀1.6 ms(e)开阀2.0 ms图13阀芯开启过程不同时刻速度云图50.05.0e+51.0e+6 1.5e+62.0e+62.5e+6.3.0e+63.5e+6 4.0e+6.4.5e+6(a)开阀0.4 ms(b)开阀0.8 ms(c)开阀1.2 ms(d)开阀1.6 ms(e)开阀2.0 ms图14阀芯关闭过程不同时刻压力云图在阀芯开启过程中,生成的空化位于阀口处与阀口下游的阀腔中。阀芯开启时阀口处压力梯度大,压差驱动油液高速通过阀口产生射流，受到锥阀结构限制,高速射流的两侧受到不同剪切力，其中靠近阀芯的一侧为壁面边界层,另一侧为自由剪切层。在射流的自由剪切层会生成局部低压区，导致阀口处生成射流空化;随着射流运动形成反向射流及旋涡，在旋涡中心处压力低于饱和蒸气压，导致阀腔中生成游移型空化随油液流动变形。4结论（1）在阀芯关闭阶段,阀口开度逐渐减小,油液引用本文：王世强，马壮，朱斌权，等.基于重叠网格的阀芯振荡诱导空化的数值模拟 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（3）：47-52.WANG Shiqiang,MA Zhuang,ZHU Binquan,et al.Numerical Simulation of Spool Oscillation Induced Cavitation with Overset Mesh J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(3):47-52.通流能力下降，但是阀口下游阀腔中的油液仍受到惯性作用向出口运动,在阀腔中形成大范围的低压区域,低压促使气核剧烈膨胀，在阀腔下游产生二次空化。（2）在阀芯开启阶段，阀口处压力梯度最陡峭，受到上下游压差作用及锥阀结构限制，使油液在经过阀口时形成高速射流,高速射流的一侧为自由剪切层,形成局部低压区,在阀口处生成射流空化;随着油液向下游运动，形成反向射流与旋涡，在旋涡中心处的压力低于饱和蒸气压，促使生成游移型空化；阀芯运动，阀口开度不断增加,导致阀口处油液速度逐渐降低,射流强度下降，阀口处空化溃灭，流场中只存在Velocity(m/s)游移型空化，受油液流动影响，跟随着油液进行运动40506070Pressure(Pa)变形。1许仰曾.液压工业4.0 下液压技术发展方向及其数智液压J.液压气动与密封,2 0 2 2,42(2):1-7.2闵为，王东，郑直，等.低压下锥阀振荡空化的可视化试验研究 J.机械工程学报,2 0 18,54（2 0）：139-144.3赵鹏坤，林言，李清华，等.渐扩型流道空化特征的实验研究 J.液压气动与密封,2 0 2 0,40(3）：16-19.4刘子晨,马云飞，刘乐播，等.液压锥阀阀芯振荡空化现象数值模拟 J.液压气动与密封,2 0 2 2,42（7）：2 4-2 9.5陈晏育，赵月芬，闫永生，等.锥阀空化现象研究及结构优化 J.水电能源科学,2 0 18,36(7：145-148+4.6王银，孙泽刚，李开世.液压锥阀空化流分析及阀芯结构改进研究 J.机床与液压,2 0 19,47（4）：7 9-8 1,10 2.7贺杰,李文华,李怀义,等.锥形节流阀中背压对空化流场的影响 J.流体机械,2 0 18,46（2）：41-45.8 袁聪，宋锦春.直角阀座式水压锥阀空化射流特性数值模拟研究 J.机床与液压,2 0 2 1,49（2 2）：16 9-17 5.9吴响响，王泽武，许晓飞，等.双开口气波制冷机非定常流动三维数值模拟 J.流体机械，2 0 2 2,50（0 7）：50-57,70.10王国强，崔红伟，杨敬，等.矿用液力偶合器流场特性数值模拟及叶片数目优化 J.机电工程，2 0 2 2,39（6）：7 59766.52