卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法_马思宇.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 2 期2023 年 2 月 61 收稿日期：2022-01-14 修稿日期：2022-09-16基金项目：国家自然科学基金项目（51890885）；中国煤炭科工科技创新创业基金项目（2019-TD-2-CXY005）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.01.009卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法马思宇1，韦文术2，于 瑞1，卢海承2，胡经文1，郭宗凯2，周 华1（1.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027；2.北京天玛智控科技股份有限公司，北京 100013）摘 要：针对矿用乳化液泵站卸荷阀的严重气蚀问题，基于多级节流和高压引流原则提出一种适用于高压大流量工况的卸荷阀抗气蚀新结构。选取阀口半锥角、高压引流孔直径作为优化设计变量，融合最优拉丁超立方设计（OptLHD）及多岛遗传算法（MIGA），通过结构参数的变参定量分析获得了各设计变量对阀口空化特性的影响规律，通过参数间的智能优化与匹配，实现以提高阀口抗气蚀性能为目标的参数协同匹配优化。结果表明，优化后的阀口压力梯度显著降低，出口流速下降33.5%，阀套壁面冲击速度下降42.9%，体积平均气相分数下降61.3%。实际应用效果也验证了该优化方法可有效地降低卸荷阀的气蚀损伤程度，对同类型产品的优化设计具有一定的参考价值。关键词：卸荷阀；气蚀；参数协同匹配；多学科仿真中图分类号：TH137 文献标志码：A Parameter cooperative matching optimization method for anti-cavitation structure of unloading valveMASiyu1，WEIWenshu2，YURui1，LUHaicheng2，HUJingwen1，GUOZongkai2，ZHOUHua1（1.StateKeyLaboratoryofFluidPowerandMechatronicSystems，ZhejiangUniversityHangzhou，Hangzhou 310027，China；2.BeijingTianmaIntelligentControlTechnologyCo.，Ltd.，Beijing 100013，China）Abstract：Inviewoftheseriouscavitationproblemofunloadingvalveinminingemulsionpumpstation，anewanti-cavitationstructureofunloadingvalvesuitableforhighpressureandlargeflowconditionwasproposedbasedontheprincipleofmulti-stagethrottlingandhigh-pressuredrainage.Thehalfangleofthevalveportcone，thediameterofthehigh-pressuredrainageholewereselectedastheoptimizationdesignvariables.BycombiningtheoptimalLatinhypercubedesign（OptLHD）andmulti-islandgeneticalgorithm（MIGA），theinfluencelawofeachdesignvariableonthecavitationcharacteristicsofthevalveportwasobtainedthroughthequantitativeanalysisofstructuralparameters.Throughintelligentoptimizationandmatchingamongparameters，theparametercollaborativematchingoptimizationaimedatimprovingthecavitationresistanceofthevalveportwasrealized.Theresultsshowthatthepressuregradientoftheoptimizedvalveportissignificantlyreduced，theoutletflowrateisreducedby33.5%，theimpactvelocityonthevalvesleevewallisreducedby42.9%，andtheaveragevolumegasfractionisreducedby61.3%.Thepracticalapplicationresultsalsoverifythattheoptimizationmethodcaneffectivelyreducethecavitationdamageoftheunloadingvalve，whichhasacertainreferencevaluefortheoptimizationdesignofthelikeproducts.Key words：unloadingvalve；cavitation；parametercollaborativematching；multidisciplinarysimulation0 引言乳化液泵站卸荷阀是综采供液系统的核心部件之一，在系统压力调节方面起着关键作用。由于乳化液为水包油型，其水含量占比高达 95%，因此在面临流量增加，压力损失增大的工况时，极易在阀腔内形成低压区，导致气蚀现象的发生。气蚀问题除了会对阀体本身造成严重的损伤以外1，还会破坏流体的连续性，降低阀口通流能力2，造成系统压力脉动，产生高频噪声及振动，严重影响卸荷系统的平稳卸荷，威胁井下工作人员的生命财产安全。62FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023近年来，随着计算流体力学和流动可视化技术的发展，为人们认识空化机理提供了新的科学手段，使得以流场控制为基础的液压元件结构优化设计成为可能。谢伟等3通过研究分级压降、压力补偿和异形结构的阀口形式，得出流动特性对气穴产生的影响规律，总结出避免气蚀发生的阀口结构；HAN 等4针对水压阀的液动力及空化现象进行数值研究，结果表明二级节流阀可以有效的抑制空化现象的发生；贺杰等5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规律；林腾蛟等6阐明了调压阀空化流场的演变过程，总结了不同开度、流量等条件下空化流场的分布特性；牛梦奇等7以某型卸荷阀主阀为研究对象，分析了不同阀口倒角对卸荷阀内部流场的作用机制。以上研究均基于单一变量下对比压力、速度、气相分布云图的方法对锥阀气蚀现象进行仿真分析，忽略了多参数协同效应对阀口抗气蚀性能的影响。同时，传统的设计过程常采用先结构建模后仿真验证的线性工作模式，存在建模工作量大、过程反复的问题8，而随着有限元参数化建模技术的发展，探索整合 CAD、CAE 技术，构建集成一体式的流场分析环境以提高计算分析的效率，显得尤为重要。本文针对卸荷主阀存在的气蚀严重、参数设计步骤繁冗等问题，结合多级节流和高压引流原则提出一种适用于高压大流量工况的卸荷主阀结构，利用 Isight 平台构建一体式流场分析环境，并采用基于最优拉丁超立方设计（OptLHD）及多岛遗传算法（MIGA）的优化策略实现以提高抗气蚀性能为目标的液压阀口结构参数协同匹配优化，该方法可以有效改善卸荷阀的抗气蚀性能，实现结构参数间的智能优化与匹配。1 卸荷阀结构及气蚀问题如图 1（b）所示，乳化液泵站电磁卸荷阀主要由卸荷主阀、增压阀、电磁先导阀、机械先导阀以及先导过滤器等 5 部分组成。由于综采工作面压力高，流量大，系统压力变化频繁，因此电磁卸荷阀需要高频次的开关。当泵站卸荷时，介质经由主阀口流向回油腔，特别是在阀口开度较小的情况下，由于节流作用，介质流速急剧增高，后腔压力迅速降低至介质的饱和蒸汽压，极易在阀口位置形成高速空化射流，如图1（a）所示，仅 2 个月余，阀套内壁面就已出现明显的气蚀破坏界线，阀芯外柱面则呈现大面积气蚀损伤9。（a）卸荷阀气蚀损伤形貌 （b）卸荷阀结构组成图 1 乳化液泵站电磁卸荷阀Fig.1 Electromagneticunloadingvalveofemulsionpumpstation2 卸荷阀计算模型及控制方程边界条件由于卸荷主阀在开启过程中前腔压力不断发生变化，为获取其在不同开度下的压力边界条件，本文以MT/T188.32000 煤矿用乳化液泵站卸载阀技术条件10为执行标准，利用 Simulink 的S-Function 模块，建立如图 2 示出的卸荷阀等效物理模型。选取系统仿真时间为 30s，仿真步长为0.001s，液压源设置为恒流源（1200L/min），额定压力为50MPa，液压介质选定为高水基乳化液（密度为998.2kg/m3，动力黏度为1.00310-3kg/（m s），预设调压区间为 4345MPa。图 2 卸荷阀等效物理模型Fig.2 Equivalentphysicalmodelofunloadingvalve63马思宇，等：卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法其中卸荷阀芯最大开度约为6.3mm，最大瞬时流量约为 1270L/min。由于高水基卸荷阀的本质是一种压力调节阀，为简化分析流程，本文选取阀口开度为 1mm 时空化现象进行对比研究，将流场仿真的入口压力设置为28.5MPa，出口压力设置为标准大气压，其余边界设置为无滑移壁面。2.1 流道模型及网格划分通过 UG 软件建立卸荷阀内流道半剖模型，并利用商用网格划分软件 ICEM 进行非结构网格的划分，如图 3 所示，为提高计算精度，在流道壁面增加棱柱型边界层网格，对节流口速度梯度和压力梯度较大的区域进行网格细化，得到网格总数为1806126，为避免由于网格质量引起的计算结果发散，本文中的网格质量均满足大于 0.32。图 3 卸荷阀计算网格Fig.3 Calculationgridsofunloadingvalve2.2 控制方程2.2.1 Mixture 多相流模型Mixture主要关注可相互贯穿的多相流，每一相均有独立的控制方程。当介质中存在未知的界面时，Mixture模型可以很容易的收敛并获得合理的结果。利用该模型可建立流道内部空化数值计算方程组。()+()=tvmmm0（1）()+()=-+()+tvv vpvvFvvmmmmmmmmTkk drk drk,k k=|12=-+()+tvv vpvvFvvmmmTkk drk drk,k k=|12（2）()+()=()=tEvEpkTkkkkk kkkke f f 1212（3）式中，m为混合物密度；vm为混合物质量平均速度；m为混合物黏度；F 为外部质量力；k为 k 相的体积分数，vdr，k为次相 k 的滑移速度；T 为流体的温度，keff为有效热导率。2.2.2 RNGk-湍流模型RNGk-湍流模型在标准 k-模型的基础上在其方程中增加了一项，考虑了漩涡的影响，也使得计算速度梯度较大的流场时具有更高的计算精度。RNGk-湍流模型的输送方程如下：()+()=|+-+tkxkuxkxGGYSiiike f fjkbMk()+()=|+-+tkxkuxkxGGYSiiike f fjkbMk（4）()+()=|+-txuxxCkGC GCii()+()=|+-xxCkGC GCiiie f fjkb 132 22k|()+()=|+-txuxxCkGC GCiiie f fjkb 132 22kRS-+|（5）式中，系数 C1=1.42，C2=1.68；k和为湍动能和湍流耗散率的普朗特数倒数，取值1.393；eff为湍流有效黏度；Gk为平均速度梯度引起的湍动能；Gb为由浮力产生的湍动能；YM为可压缩湍流中的波动膨胀对总耗散率的贡献。2.2.3 Schberr-Sauer 空化模型Schberr-Sauer空化模型是目前最常用的空化模型，该模型未考虑气泡间的相互作用，可以和上述多相流模型联合使用：mRPPP PlvlBvlv=-()-|()31231 2/（6）mRPPPPvvlBvlv=-()-|()31231 2/（7）式中，v为气相密度；l为液相密度；RB为气泡直径，RB=10-6m；Pv为介质的饱和蒸汽压。3 防气蚀结构与空化流场分布特性研究3.1 防气蚀结构设计国内外研究人员进行了大量的研究，最终将气蚀破坏防治的结构设计原则总结为多级节流原则、高压引流原则等11-18。其中，多级节流原则64FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023是指在阀口处设置多级节流口，通过节流效应实现流体能量的多级消耗，减小每个节流口两端的压差，使得各节流口的流速有效降低，从而提高阀口的抗气蚀性能。高压引流原则是通过将前腔高压液体通过引流的方式引导至阀口密封位置，避免出现临界压力，有效保护关键密封面免受气蚀损伤的影响。结合上述研究成果，本文在原有的卸荷阀结构方案的基础上，充分利用以上原则，并增加倾斜流道的设计，提出了适用于高压大流量工况的卸荷阀结构改进方案，如图 4 所示。图 4 抗气蚀阀口结构改进方案Fig.4 Structuralimprovementschemeofanti-cavitationvalveport3.2 空化流场分布特性研究为验证结构改进方案的可行性，首先通过FLUENT 流场仿真工具对阀口流场的分布特性展开研究。为方便对比，分别选取 XOZ 所在的截面和与其呈45角的流道截面，进而生成如图5所示的仿真试验结果。如图5（a）（c）所示分别为改进前流场的气相、速度以及压力分布云图，其中，截面内阀口介质流速高达 206m/s，入口压力由28.5MPa骤降至介质饱和蒸汽压3540Pa，此时，液体汽化产生空泡，体积膨胀并阻止压力进一步下降，促使空泡在流体内部的气核呈爆炸式增长，并随着介质运动冲击壁面或运动至高压区域后溃灭。如图 5（a）所示，空泡主要集中于阀腔后部及阀套径向孔内，与此同时，阀芯表面及阀套内壁面也表现出大量空泡聚集的现象。其中，高速运动的高水基介质裹挟空化流沿阀口射流方向以119m/s的速度冲击阀套壁面，并在高速冲击和空泡溃灭的双重作用下，对阀套造成严重的气蚀损伤。而阀芯表面的空泡则随着介质流动和回流的剪切作用在阀芯外壁面破裂，剥离壁面金属材料，破坏关键密封副。（a）气相分布云图 （b）速度分布云图 （c）压力分布云图图 5 改进前空化流场分布特性Fig.5 Distributioncharacteristicsofcavitationflowfieldbeforeimprovement通过对比图 6（a）（c）的仿真结果不难发现，防气蚀阀口结构在开度为 1mm 的工况下，其压力梯度相较于改进前结构存在明显的降低，后腔低压区域面积及高气相分布区域面积均有明显减小，经计算，改进前 1mm 开度下的体积平均气相分数为 0.0481，改进后的体积平均气相分数为 0.0361，下降约 24.9%。这主要由于二级节流结构良好的分级减压作用，如图 6（b）所示，在一级节流段，介质在一级流道内由 25m/s 加速至146m/s；在二级节流段，流体在环形容腔内受到的节流作用明显减弱，容腔内稳定的压力使流速快速下降至98m/s，当流体再次进入二级流道后，流速继续升高，并在出口位置达到 162m/s，相较于改进前，出口流速降低了21.4%，这也是后腔高气相区域缩小的主要原因；而在阀口射流阶段，流体沿射流角冲击阀套内壁面，阀套近壁面冲击速度约为95m/s，降低20.2%，有效减轻了空化流直接冲击所造成的气蚀损伤，并最终在壁面运动阶段恢复至 25m/s 左右。同时，由于倾斜流道的存在，阀腔内部的空化65流大多通过倾斜的阀套孔直接离开阀芯阀套组件，降低空泡在阀腔内的停留时间。高压引流结构则通过改善一级节流口处的压力分布，对关键密封面起到了良好的保护作用，结果表明该改进结构具有优良的空化抑制效果。（a）气相分布云图 （b）速度分布云图 （c）压力分布云图图 6 改进后空化流场分布特性Fig.6 Distributioncharacteristicsofcavitationflowfieldafterimprovement3.3 防气蚀结构有效性验证为了进一步验证改进方案的有效性，首先对具有防气蚀结构的卸荷阀进行原理样机试制，并开展井下工业性气蚀试验。该试验对象为40MPa、630L/min的改进型卸荷阀组件，其中阀套材料为铝青铜、阀芯材料为 9Cr18 马氏体不锈钢、阀体材料为 431 不锈钢。经过近 3 个月的耐久性试验，拆解被试液压阀，改进前结构的气蚀形貌如图 7 所示。（a）阀套 （b）阀芯图 7 改进前阀口气蚀形貌Fig.7 Cavitationmorphologyofvalveportbeforeimprovement由于阀套铝青铜材质硬度较低，抗气蚀能力较弱，因此内壁面出现明显的环状蚀坑及塑性变形，表面材料大量脱落，其形成原因主要是高速空化流的间歇性冲刷所致。阀芯表面光泽度下降并伴有独立点状蚀坑，且主要分布于阀芯外柱面及阀口密封副位置，在工作过程中多次出现密封失效问题。如图 8 所示，改进后的卸荷阀阀套壁面光泽度明显下降，但未形成如图 7（a）所示的环状蚀坑，阀套表面金属材料无明显脱落和塑性变形，对比原始结构抗气蚀性能提升明显；阀芯外柱面光泽度下降并出现独立点蚀坑，第二级节流阀口光泽度下降，而在高压引流结构的保护下，作为主要密封副的第一级节流阀口表面完好，未出现明显气蚀现象，且运行过程中未出现密封失效等问题。进一步的寿命试验表明，其有效使用寿命近 9 个月，远超国外进口 6 个月及国内同类产品 3 个月的使用寿命，可见，该防气蚀结构具有良好的空化抑制效果。（a）阀套 （b）阀芯图 8 改进后阀口气蚀形貌Fig.8 Cavitationmorphologyofvalveportafterimprovement4 参数协同匹配优化设计方法4.1 优化设计变量的选取为了实现有限结构改进空间内液压阀口空化抑制能力的最大化，并重点考虑多参数协同效应的影响，如图 4 所示，分别以一级节流半锥角1、二级节流半锥角2、高压引流径向孔直径d1、高压引流中心孔直径 d2作为参数协同匹配优化设计马思宇，等：卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法66FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023变量，并利用 UG 三维建模软件建立流道的参数化模型。4.2 目标函数的建立液压阀的空化特性通常会采用无量纲数来进行评估，空化数越大越不容易发生空化现象，反之则容易出现空化现象，其公式为19：=-()()PPuv0205/.（8）式中，P0为未被扰动处的参考压强；Pv为介质在环境温度下的饱和蒸汽压；u 为未受扰流处的参考流速。由于很难准确获得参考压力及参考流速，通常情况下采用美国仪器学会标准 关于评估控制阀空化的建议中提出的西格玛方法对阀的空化损害进行量化评估，其定义如下20-22：=-()-()PPPPv010/（9）式中，P0为阀出口压力；P1为阀入口压力。由于气蚀现象通常发生在二级节流及后腔位置，因此本章中以二级节流空化数最大为目标函数，对阀口结构参数进行协同匹配优化设计。4.3 Isight 集成优化框架利用 Isight 平台分别建立基于最优拉丁超立方设计（OptLHD）及多岛遗传算法（MIGA）的优化方法，对卸荷阀流场的不同结构参数进行协同匹配优化设计。首先利用最优拉丁超立方设计方法在设计空间中均匀采样，通过 20 组样本点，对影响卸荷阀抗气蚀性能的关键参数进行辨识，随后，利用多岛遗传算法优化模块在设计区间内进行寻优，相比传统的试算法和遍历搜索法，该方法可以有效缩短计算周期，在有限迭代次数内寻找最优参数组合。图 9 示出 Isight 集成优化框架，主要包括基于Simcode组件的UG参数化建模模块、ICEM网格划分模块、FLUENT 流场仿真模块以及计算器模块组成：（1）UG 参数化建模：以 UG 的表达式文件作为输入，选取优化设计变量，通过批处理文件驱动UG 进行流道模型的更新，并输出可以被 ICEM 识别的三维流道模型。（2）ICEM 网格划分：通过批处理文件驱动ICEM 读取宏文件，实现对流道模型的读取，参数的设定以及网格的自动划分。（3）FLUENT 流场仿真：通过批处理文件驱动FLUENT 日志文件，实现网格数据的自动读取，计算条件的设置以及监测点压力的计算，并导出为可被 Isight 识别的文件类型。（4）计算器模块：计算器模块主要用于读取压力数据并依据选定的目标函数进行计算，得到可用于组合优化算法分析的目标函数。图 9 Isight 集成优化框架Fig.9 Isightintegrationoptimizationframework4.4 优化结果分析基于最优拉丁超立方设计，可得到如图 10示出的各流道参数对目标函数的标准化效应帕累托图，在置信水平为 95%的条件下，其标准化效应参考值为 2.131，跨参考线的条形在统计意义上显著。其中变量2，d1对于空化数起到正效应，其中2的影响程度最大，达到6.33。变量1以及 d2对空化数起到负效应，其中1的影响程度最大，达到了 5.11。由此可见，空化数的主要影响因素为阀口半锥角，减小一级节流半锥角，增大二级节流半锥角可以有效的提高阀口的空化抑制能力。67图 10 Pareto 图Fig.10 Paretochart图 11 示出的多岛遗传算法下目标函数的迭代过程以及分布空间情况，碍于计算资源的限制，本轮总共进行了125次迭代，经计算，目标函数主要集中于0.0090.012之间，并于第105次迭代达到最大值，此时的目标函数为 0.01434，相较于优化前提高约 46.3%，优化前后参数的对比表格见表 1。图 11 目标函数迭代过程Fig.11 Iterativeprocessofobjectivefunction表 1 优化前、后参数对比Tab.1 Comparisonofparametersbeforeandafteroptimization变量变量约束范围优化前优化后1/（）305045312/（）30604551d1/mm1.02.01.51.8d2/mm0.41.00.80.6为了验证以上优化分析结果的正确性，本节将结合 CFD 流场数值仿真分析方法对阀口优化结构的空化抑制能力作进一步评估。如图 12（a）（c）示出优化后空化流场的分布特性云图。优化后的阀口结构在一级节流口的过流面积有所降低，节流作用增强，有利于降低环形容腔内的压力，降低阀口空化数。而二级节流口的过流面积有所增加，节流作用相对较弱，有利于降低阀口流速。环形容腔内绝对压力的降低使得高压引流的作用进一步凸显，通过合理设计引流孔直径一方面可以保护关键密封面，另一方面可以避免引流量过大导致的阀口流速突增。（a）气相分布云图（b）速度分布云图（c）压力分布云图图 12 优化后空化流场分布特性Fig.12 Distributioncharacteristicsofcavitationflowfieldafteroptimization经比较，优化后一、二级节流阀口间的环形容腔内压力降为 6.9MPa，压降梯度进一步放缓，各马思宇，等：卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法68FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023截面内低压区域面积显著降低。阀口出口流速降为 137m/s，相较于改进前下降 33.5%，阀套壁面冲击速度为68m/s，下降42.9%。经计算，阀腔内的体积平均气相分数为 0.0186，相较于改进后结构和改进前结构分别下降 48.4%和 61.3%；与此同时，优化后的截面及阀芯阀套表面气相分布强度和面积均有所减少，表明优化结构的气蚀损伤程度显著降低，阀芯阀套组件的使用寿命将得到进一步提高。5 结论（1）在原有的卸荷阀结构方案的基础上，充分利用多级节流原则以及高压引流原则，并增加倾斜流道的设计，提出一种适用于高压大流量工况的卸荷阀抗气蚀新结构。（2）通过 Isight 多学科仿真平台集成 UG、ICEM、FLUENT 等模块，选取阀口半锥角、高压引流孔直径作为优化设计变量，融合最优拉丁超立方设计（OptLHD）及多岛遗传算法（MIGA），分析各设计变量对阀口空化特性的影响规律，实现以提高阀口抗气蚀性能为目标的参数协同匹配优化。此方法可以显著提高复杂流场的有限元计算分析效率，缩短产品设计周期，实现参数的智能匹配优化。（3）经优化后的阀口压力梯度明显降低，阀口出口流速下降 33.5%，阀套壁面冲击速度下降 42.9%，阀腔内的体积平均气相分数下降了61.3%，流道内部以及阀芯阀套表面的气相分布强度和面积明显改善，卸荷阀抗气蚀性能显著提高，以上结果表明该方法对抗气蚀结构设计及同类型产品的研发具有一定的参考价值。参考文献：1 张建斌，冯玉林，范宜霖，等.锥阀空化现象及多相流耦合强度研究 J.流体机械，2018，46（2）：29-35.ZHANGJB，FENGYL，FANYL，etal.PoppetcavitationandmultiphaseflowcouplingstrengthstudyJ.FluidMachinery，2018，46（2）：29-35.2 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