基于重叠网格的阀芯振荡诱导空化的研究

作     者：王世强 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑直

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：阀芯振荡 空化 重叠网格 OpenFOAM 数值模拟 

摘      要：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。针对上述问题,本文以先导级压力调节锥阀为研究对象,研究其阀芯振荡过程中的空化现象,对于锥阀结构优化以及整个液压系统而言具有重要意义。本论文主要内容及创新如下:(1)针对阀芯振荡过程空化流动的特点,从两相流模型出发,推导出两相空化求解所需的动量方程、压力方程和相方程,结合空化模型与重叠网格算法,在Open FOAM开源平台中将上述方程编译,二次开发出具有动态重叠网格功能的两相空化流求解器。(2)使用开发的求解器对阀芯振荡过程空化现象进行数值计算,将计算结果与课题组前期可视化实验结果进行对比,具有很好的吻合度,验证了二次开发求解器的合理性与数值计算结果的准确性。(3)结合实验与数值计算结果,得出阀芯振荡关阀阶段与开阀阶段空化产生的机理。关阀阶段阀腔中油液受到惯性作用向出口流动,产生大范围的低压区,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。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,在射流的一侧为自由剪切层,生成局部低压区,导致阀口处形成射流空化;射流运动在阀腔中形成反向射流与旋涡,旋涡中心处压力低于饱和蒸气压,产生游移型空化随油液流动变形。(4)在实验数据的基础上进行延伸,研究阀芯振荡过程不同因素对空化流动的影响。结果表明进口压力高与阀芯振荡周期短会促进阀芯振荡过程空化生成,出口压力高与阀芯振荡周期长会抑制阀芯振荡过程空化生成。