孔隙高速流动中的气穴观测与噪声特性

　　0 前言

　　当液流经过阀口时，阀口两端压差迅速增加，流速急剧加快，阀口收缩面处的压力接近饱和蒸汽压时，气穴产生。液压阀流道尺寸小、工作压差大、阀口流速高，使得从气泡微观层面上研究液压元件中的气穴现象非常困难。目前，气穴噪声问题是液压控制领域研究较少且有待进一步认识的重要问题。

　　对于狭小流场内高速流动中气穴噪声问题，CHANDRA 等[1]研究了超声速冲压喷射装置中不同长径比的内气穴噪声及振动问题。文献[2]研究了溢流阀流道结构对噪声的影响并进行了流场仿真。文献[3]用高速摄像的方法观察了射流放水阀内的旋涡空化现象。文献[4-5]分别对节流孔内气穴流动及噪声现象进行了对比研究。国内外研究都表明，液压流道内部结构及流动参数变化所导致的气穴与噪声之间的关系一直是受到普遍关注而未能根本解决的问题。而对于狭小孔隙流场内部的高速流动现象，流场变化非常复杂，用一般的理论方法很难直接解析，必须借助试验手段深入流场内部进行研究。

　　采用高速摄像技术、噪声频谱分析、流场仿真等综合手段，对典型节流孔隙内部流场进行了深入观察，揭示了不同流动参数下气穴形态的变化规律以及和噪声的相关关系，此项研究对于孔隙节流型的液压元件噪声控制具有较大价值。

　　1 试验装置及研究方法

　　1.1 试验装置

　　对于流动气穴可视化试验，模型阀由透明有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂，PMMA)制成，内流道尺寸与原型阀相同，以便内部流场的变化更接近真实流动情况，模型结构如图 1 所示。孔隙过流面积可通过阀芯前后移动的距离来调节，内部压力分布测量及试验装置的布置图见文献[6]。

　　用高速摄像机和噪声频谱分析仪记录气穴图像和噪声。摄像机内部采用高感光度的百万像素CMOS 传感器，最高拍摄速度可达 120 000 幅/s。由于阀口气泡速度极快(当压差为 5 MPa 时，流速达100 m/s 以上)，为了能拍摄到空化的瞬间形态并防止出现模糊影像，需要极快的拍摄速度，因而需要高强度照明。采用了一金属卤化物无频闪光灯(功率1 kW，色温 5 500 K)，并配有专用高频稳流电源，用高倍聚光镜将光线汇聚到阀口处。和激光器产生的片光轴面相比，汇聚光有更深广的透射范围，能在瞬间对整个阀腔内的全部气穴形态进行捕捉。调节镜头光圈和曝光时间使图像获得最好的清晰度和亮度值，曝光时间定为 1/24 000 s。

　　在试验中，高速摄像机的拍摄速度取24 000幅/s，噪声频谱仪距被测阀体 50 mm，试验环境本底噪声值基本保持 50 dB±5 dB，工作油温 35 ℃±5 ℃。