基于CFD和两相流技术的高水基液压阀结构设计研究

    0 引言

    气穴流是由液体相变形成的两相流。气穴和气蚀现象常使液压阀零部件严重破坏,使用寿命缩短[1、2]。高水基流体造成的气蚀破坏程度将是矿物油的上百倍,且随入口压力的增高,气蚀破坏程度呈指数增加。

    本文重点研究换向阀的回液从中心孔向四周径向流出的源流状态,应用计算流体动力学理论结合两相流技术,对气穴流场进行数值模拟,为液压阀的优化设计提供理论依据。

    1 典型平面阀结构

    液压支架工作介质为5%的乳化油与95%的水形成水包油型(O/W型)乳化液,粘度低,工作压力通常在32MPa左右。

    图1为平面密封换向阀的正顶杆结构简图。图2为液压支架平面微型先导阀的流场计算区域,其入口直径D₀=0. 6mm,顶杆直径取0. 4mm,出口直径D=8mm,d=7mm,阀口开度为0. 2mm。

    2 数学模型

    (1)流场数学模型

    液压阀中流体的流动过程可以用连续性方程、动量守恒方程、湍动能k及湍动能耗散率E的输运方程来描述。

    定常流动的连续性方程和动量守恒方程为[2、3]:

    连续性方程:

    动量守恒方程:

式中:ρ—液体密度,kg/m³;

    xi—坐标方向;

    ui—速度矢量在xi方向的分量,m/s;

    p)流体微元体上的压力,Pa;

    τ_ij—应力张量;

    ρgi和Fi—分别为xi方向上的重力体积力和外部体积力;

    μ—液体动力粘度,Pa•s;

    δ_ij—脉冲函数。

    采用Yakhot和Orzag[4]提出的RNGk-E模型(重正化群模型)。湍动能k的输运方程:

    湍动能耗散率E的输运方程:

    湍动粘度Lt不是物性参数,是空间坐标的函数,取决于流动状态;与标准k-E模型不同,Gk表示由平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项;E_ij反映主流的时均应变率;取经验常数C_μ=0.0845,A_k=αω=1.39,C_1ω=1.42,C_2ω=1.68,η₀=4.377,β=0.012。

    (2)气蚀模型

    采用Singhal[5]等人提出的全气蚀模型。气穴输送方程:

式中:f—质量分数;

    Q—混合密度;

    v_v—气相速度矢量;

    γ—有效交换系数;