插裝式溢流閥流體自激振蕩仿真研究

插裝式溢流閥流體自激振蕩仿真研究

流體自激振蕩在挖掘機(jī)和其他工程機(jī)械的故障儀表中，插流閥是一種非常常見(jiàn)的故障元件。通常用作閥座，以承受系統(tǒng)壓力。插裝式溢流閥在應(yīng)用廣泛的同時(shí),也出現(xiàn)了許多工程問(wèn)題,比較顯著的有兩點(diǎn):(1)閥芯在壓力作用下打開時(shí),由于流動(dòng)出口較小,會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的節(jié)流效應(yīng),從而誘發(fā)空化噪聲和氣蝕等問(wèn)題;(2)溢流閥的核心部件是閥芯-彈簧,這種結(jié)構(gòu)在受到系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響時(shí),很容易產(chǎn)生振動(dòng),誘發(fā)振動(dòng)噪聲或者導(dǎo)致溢流閥意外開啟。學(xué)術(shù)界針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了很多研究和改良。另外,隨著挖掘機(jī)等工程機(jī)械的噸位提升,其液壓回路的壓力可以達(dá)到數(shù)十兆帕,對(duì)應(yīng)的流量可以達(dá)到每分上百乃至數(shù)百升。在這種工況下,插裝式溢流閥閥口的流速可以達(dá)到數(shù)每秒十乃至上百米,馬赫數(shù)接近0.1甚至更高。在這種工況下,高速液流經(jīng)過(guò)閥口凹腔時(shí)會(huì)造成剪切層的高頻波動(dòng),并撞擊到后壁產(chǎn)生向上游運(yùn)動(dòng)的聲波。剪切層波動(dòng)與反向聲波耦合后還會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的自持振蕩,學(xué)術(shù)界稱為流體自激振蕩現(xiàn)象對(duì)于這種現(xiàn)象提出的最經(jīng)典的理論是1964年,ROSSITERRossiter認(rèn)為渦流在這一過(guò)程中扮演著重要角色,并將其機(jī)理解釋為:高速流場(chǎng)經(jīng)過(guò)剪切層分離處時(shí)與凹腔內(nèi)流體產(chǎn)生剪切,形成向下游運(yùn)動(dòng)的渦流。渦流撞擊到凹腔后壁,形成向上游傳播的反饋聲波,聲波到達(dá)前壁再次激發(fā)渦流,并對(duì)渦流的產(chǎn)生形成調(diào)制。如此循環(huán)往復(fù),形成凹腔內(nèi)的自激振蕩。Rossiter針對(duì)自己的理論模型提出如下經(jīng)驗(yàn)公式:其中,設(shè)向下游傳播的渦流波長(zhǎng)為λRossiter的理論模型奠定了流體自激振蕩研究的基礎(chǔ),后續(xù)的研究大多在修正、補(bǔ)全Rossiter模型的基礎(chǔ)上展開。針對(duì)液壓閥結(jié)構(gòu)的流體自激振蕩研究開始較晚,1986年,BALDWIN和SIMMONSSUN的仿真實(shí)驗(yàn)針對(duì)的是氣動(dòng)溢流閥,而現(xiàn)在工程機(jī)械中廣泛應(yīng)用的插裝式溢流閥通常在液壓環(huán)境中工作。液壓系統(tǒng)相比于氣動(dòng)系統(tǒng),馬赫數(shù)要低一些,但是流動(dòng)介質(zhì)密度更大,其帶來(lái)的質(zhì)量慣性效應(yīng)也更大。插裝式溢流閥在液壓系統(tǒng)中所產(chǎn)生的自激振蕩會(huì)帶來(lái)怎樣的影響,值得進(jìn)一步研究。1典型插入式教學(xué)方法1.1圈所標(biāo)識(shí)的位置插裝閥通常被安裝在集成閥塊上,其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中圓圈所標(biāo)識(shí)的位置是插裝閥閥塊中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu),閥體安裝孔道與橫向流道構(gòu)成了“主流流道-凹腔”的特殊結(jié)構(gòu),這個(gè)結(jié)構(gòu)與凹腔自激振蕩經(jīng)典理論中的“自由流-凹腔”結(jié)構(gòu)十分相似,很容易誘發(fā)自激振蕩現(xiàn)象。1.2插裝閥仿真模型為了使仿真具有工程意義,特別選取了真實(shí)的插裝閥作為仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。某型號(hào)的插裝先導(dǎo)式溢流閥為選取結(jié)果,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該型號(hào)的插裝閥與仿真相關(guān)的主要參數(shù)為:最大流量75.8L/min,油口直徑10mm,這些數(shù)據(jù)作為仿真物理模型建立以及計(jì)算參數(shù)設(shè)置的參考。該插裝閥是先導(dǎo)式、錐閥型的溢流閥,通常用作安全閥,或者與其他控制閥配合安裝作為壓力控制閥。這種溢流閥在工程機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械以及農(nóng)業(yè)機(jī)械上都有廣泛應(yīng)用。2數(shù)值模擬2.1幾何網(wǎng)格劃分截取閥口凹腔與橫向流道組成的結(jié)構(gòu)作為流場(chǎng)的物理模型,自激振蕩現(xiàn)象主要在這一部分結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生,如圖4所示。流道是圓孔結(jié)構(gòu),不過(guò)其兩側(cè)對(duì)稱,取其中間橫截面作為近似結(jié)構(gòu),進(jìn)行二維仿真,二維網(wǎng)格劃分如圖5所示。與傳統(tǒng)的流體自激振蕩研究不同,插裝閥凹腔外部的并不是自由流場(chǎng),而是管道流動(dòng),管壁對(duì)流動(dòng)存在限制。所以凹腔附近的結(jié)構(gòu),包括凹腔內(nèi)部和凹腔外部延伸到管壁的這部分都是研究流動(dòng)現(xiàn)象的重要區(qū)域,所以將這一區(qū)域統(tǒng)一加密。剪切層近壁面處也是流體自激振蕩現(xiàn)象的重要區(qū)域,所以一并加密。2.2仿真模型的建立CFD仿真中默認(rèn)液體為不可壓縮流體,但是流體自激振蕩是波渦耦合的現(xiàn)象,液體的可壓縮性必須考慮進(jìn)去使用Fluent的可壓縮液體模型,設(shè)置流體介質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。在可壓縮模型下,使用RNG模式的k-e計(jì)算模型,這種模型的計(jì)算方程為:G比起標(biāo)準(zhǔn)k-e模型,RNG模式的k-e模型考慮了湍流中的漩渦,在這方面精度更高,并且更適合近壁面的剪切流動(dòng),十分切合插裝閥凹腔流體自激振蕩的仿真需要。另外,由于流體自激振蕩現(xiàn)象是一種波渦耦合的流動(dòng)現(xiàn)象,需要采用流動(dòng)-壓力耦合的算法根據(jù)渦的運(yùn)動(dòng)速度及凹腔寬度,設(shè)置仿真步長(zhǎng)為10由于流體自激振蕩在馬赫數(shù)太低的時(shí)候會(huì)漸漸消失,成為寬頻噪聲3結(jié)果與分析3.1剪切層上的自激振蕩從仿真結(jié)果中每5個(gè)步長(zhǎng)提取一次流動(dòng)圖像,可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)初始階段后,會(huì)有漩渦從凹腔前壁周期性地脫落。取其穩(wěn)定階段的一個(gè)周期,如圖6所示。圖6展示了一個(gè)渦從凹腔前壁脫落并撞擊到凹腔后壁的過(guò)程,可以觀察到當(dāng)上一個(gè)渦撞擊到后壁的時(shí)候,下一個(gè)渦剛好從前壁脫落。剪切層穩(wěn)定后這個(gè)過(guò)程周期性地發(fā)生,初步印證了Rossiter理論中的自激振蕩機(jī)理描述。由于還沒(méi)有對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行過(guò)聲學(xué)分析計(jì)算,所以參考Rossiter理論中的渦流頻率假設(shè),用渦脫落的頻率對(duì)自激振蕩頻率進(jìn)行估算。對(duì)整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷的所有完整渦運(yùn)動(dòng)周期取平均值,得到渦出現(xiàn)的周期約為90個(gè)步長(zhǎng)。渦流頻率即渦脫落的頻率,可以得到渦流的仿真頻率:由于當(dāng)上一個(gè)渦撞擊到后壁的時(shí)候,下一個(gè)渦剛好從前壁產(chǎn)生,一個(gè)周期內(nèi)在剪切層上最多會(huì)出現(xiàn)2個(gè)渦,可以估算出Rossiter理論中的渦流波長(zhǎng)λ進(jìn)而得到:k而相位滯后α一般取0.25Rossiter理論中假設(shè)f出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是純粹從圖片上的漩渦運(yùn)動(dòng)來(lái)估算渦流周期,導(dǎo)致出現(xiàn)誤差;也可能是本案例中的實(shí)際相位滯后α要比0.25小,相位滯后α取值0.25,導(dǎo)致計(jì)算頻率偏大。另外,根據(jù)HELLER等3.2閥腔內(nèi)自激振蕩頻率的影響仿真時(shí)設(shè)置監(jiān)測(cè)器對(duì)凹腔底部壓力進(jìn)行檢測(cè),并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出,可以得到腔底壓力波動(dòng)曲線,如圖7所示?？梢钥闯鲈诔跏紨_動(dòng)消失后,凹腔底部出現(xiàn)了周期性的壓力波動(dòng),這種壓力波動(dòng)直接作用在插裝閥閥芯上,可以認(rèn)為是插裝閥閥芯振動(dòng)和意外開啟的原因。如圖8所示,通過(guò)頻譜分析可以得到壓力波動(dòng)是多個(gè)高頻震蕩信號(hào)的疊加,這些頻率信號(hào)是成整倍數(shù)的諧振頻率,其基礎(chǔ)頻率約為11718Hz,正好與通過(guò)渦脫落估算的自激振蕩主頻十分接近,可以推測(cè)這種壓力波動(dòng)的頻率與凹腔中的自激振蕩頻率有直接的關(guān)系。這種關(guān)系可以描述為,在流體自激振蕩發(fā)生的同時(shí),剪切層的波動(dòng)引起了凹腔內(nèi)的質(zhì)量流動(dòng),這種質(zhì)量流動(dòng)導(dǎo)致了腔底的壓力波動(dòng)。在液壓環(huán)境中,液壓油密度遠(yuǎn)大于氣體,質(zhì)量的慣性效應(yīng)也更強(qiáng),這種質(zhì)量流動(dòng)所導(dǎo)致的壓力波動(dòng)對(duì)液壓系統(tǒng)的影響要遠(yuǎn)大于氣動(dòng)系統(tǒng)。凹腔內(nèi)流體自激振蕩頻率與凹腔寬度及橫向流道流速直接相關(guān),由于腔底壓力波動(dòng)與凹腔內(nèi)自激振蕩頻率之間存在直接關(guān)系,可以針對(duì)不同流速對(duì)插裝閥凹腔尺寸提出設(shè)計(jì)建議。首先在特定的流速下可以通過(guò)選取合適的凹腔長(zhǎng)深比來(lái)降低自激振蕩頻率,從而抑制這種壓力波動(dòng);或者選取合適的彈簧,使彈簧的共振頻率避開壓力波動(dòng)頻率,提高插裝閥穩(wěn)定性和使用壽命。4渦流圖像的自激振蕩頻率(1)針對(duì)插裝閥凹腔結(jié)構(gòu),使用RNG模式的k-e模型和Coupled算法建立了可壓縮的、流動(dòng)-壓力耦合的Fluent仿真模型;(2)通過(guò)仿真獲得了剪切層渦流圖像,渦流頻率與Rossiter半經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算得到的自激振蕩頻率相比偏大,誤差可能源于相位滯后α的取值和凹腔內(nèi)馬赫數(shù)M的變化;(3)通過(guò)在凹腔底部