【導(dǎo)讀】underwaterrobotics[1–5].

　　

【正文】 還可以改善二級液壓節(jié)流閥的總負(fù)荷剛性、 (b)一個(gè)適當(dāng)?shù)耐ǖ烂娣e比例有利于提高二級液壓節(jié)流閥的抗汽蝕能力 (c)通道面積比例為 的二級液壓節(jié)流閥會有最好的抗汽蝕能力，而且產(chǎn)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)最低。 關(guān)鍵詞 :流體動力學(xué)仿真計(jì)算、汽蝕、負(fù)載剛度、通道面積比率、二級 節(jié)流閥。 1 介紹 水壓操作系統(tǒng)用原水 (純自來水 )替代礦物油。就他們優(yōu)勢而言，有耐久性、可靠性、安全性、以及清潔。這種系統(tǒng)特別是在鋼和玻璃生產(chǎn)、煤炭和金礦開采、食品和醫(yī)藥加工、核電、海洋勘查、水下機(jī)器人等領(lǐng)域正變得越來越流行。 和油閥相比水壓控制閥門開口是非常小的 ,所以在相同的壓力條件下通過水壓控制閥門的水流速會更大，但是由于具有較高壓力的蒸汽水的存在，就可能出現(xiàn)汽蝕。汽蝕對水液壓控制閥的性能和壽命有重要影響 ,如降低效率、強(qiáng)烈的噪聲以及嚴(yán)重的振動。之前 ,有許多關(guān)于汽蝕現(xiàn)象、流量系數(shù)、驅(qū)動力和壓力在閥 門分布、通過增加閥門出口壓力減小汽蝕、修改節(jié)流形狀、提高閥門零件材料的耐腐蝕級別、以及控制最大流體溫度、流速峰值的研究。 [6]研究利用提升型保持閥的可視化流體來減少汽蝕。通過控制流量、上下游壓力和閥門開啟的集聚流動等一些措施來減小噪音和汽蝕。 Aoyama[7]實(shí)驗(yàn)研究了在油壓提升閥中出現(xiàn)的不穩(wěn)定汽蝕現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn) ,隨著入口和出口壓力變化速率絕對值的增加，初期的汽蝕指數(shù)表現(xiàn)出一種減小的傾向 ,而最后的汽蝕指數(shù)有增加到所有的幾何參數(shù)之下的趨勢 ,。隨著入口和出口壓力變化速率的絕對值進(jìn)一步增大 ,滯環(huán)之間初期 和最終的汽蝕指數(shù)會比以往任何時(shí)候每個(gè)組合閥門和閥座的都大。 Ishihara[8]研究了不穩(wěn)定的油液流動對小孔通道的汽蝕現(xiàn)象影響。使通過孔口的壓降速度保持不變 ,利用分散雷射光束記錄的最初和最終汽蝕表現(xiàn)出 (a)存在著兩種類型的汽蝕 ,即氣態(tài)的汽蝕和類蒸汽汽蝕現(xiàn)象 (b)初期和最終汽蝕隨著初始條件 ,液壓油的溫度 ,以及壓降的速率變得多樣化。 Johnston[9]進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于在提升和圓盤液壓閥中流動和力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究 ,并采用水作為工作介質(zhì)。制造出具有軸對稱性的有機(jī)玻璃閥門外殼 ,便于促進(jìn)可視化流動 ,實(shí)驗(yàn)研 究了在穩(wěn)定且沒有汽蝕雷諾數(shù)大于 2500 的條件下一系列不同的對提升和圓盤閥的操作。測量顯示的流量系數(shù)和力學(xué)特性隨著閥門幾何形狀和開口有著明顯的不同。 Vaughan[10]對流過提升閥的油液進(jìn)行了流體動力學(xué)計(jì)算 (CFD)分析。仿真被用于比較實(shí)驗(yàn)測量和可視化流動模式。一種關(guān)于模擬和可視化的流動模式的可行性被認(rèn)同。然而 ,在預(yù)測射流分離和復(fù)位時(shí)的錯(cuò)誤導(dǎo)致了定量的不精確性。這些錯(cuò)誤是由于本身的局限性造成的 ,可以采用迎風(fēng)差分方案表示 k 1湍流模型 ,但該模型用于循環(huán)流量時(shí)是不準(zhǔn)確的。 Ueno [11]用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了用最基本的有限差分在假設(shè)沒有汽蝕在條件下對不同構(gòu)造壓力控制閥的油液流動 ,。他們總結(jié)說 ,測試閥的主要噪聲是由汽蝕造成的 ,同時(shí)噪聲也受閥門結(jié)構(gòu)的影響。對閥腔兩個(gè)位置的壓力測量和可視化流動在二維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。通過測量和計(jì)算結(jié)果的比較 ,可以建立低噪聲閥門設(shè)計(jì)的幾個(gè)準(zhǔn)則。 Martin[12]通過研究芯閥的汽蝕現(xiàn)象問題用來識別和損傷機(jī)制相關(guān)的組件。在典型的金屬芯閥和一個(gè)三倍大的模型中進(jìn)行測試。兩種液壓閥在沒有汽蝕條件下得到的數(shù)據(jù)表明 ,由于閥門開啟度和雷諾數(shù)的影響，閥 的高噴流方向的角度會發(fā)生變化。通過放置在閥室的高頻壓力響應(yīng)傳感器 ,可以利用噪聲和汽蝕指數(shù)之間的相關(guān)聯(lián)系來檢測汽蝕。汽蝕可能通過對一個(gè)不變排放量的固定開啟度閥門進(jìn)行能量譜比較來檢測。在這次調(diào)查中所定義的初期汽蝕指數(shù)是與兩個(gè)閥門雷諾數(shù)有關(guān)的。 Gao [13]通過基于 RNG n s方程理論中派生出來的重整化群 (RNG紊流模型 ),對液壓提升閥中的汽蝕流動進(jìn)行了模擬。試驗(yàn)研究用一對工業(yè)纖維和一個(gè)高速可視化系統(tǒng)從垂直方向捕捉提升閥座周圍的汽蝕圖像。通過數(shù)字處理原汽蝕圖像所獲得的汽蝕二進(jìn)制分布流場與數(shù)值結(jié)果 達(dá)到令人滿意的一致性 。由汽蝕流動引起的閥體和提升閥的振動可以利用被稱作激光測距應(yīng)變裝置的渦流位移傳感器進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)表明錐閥的開口和錐度對汽蝕的強(qiáng)度有非常重要的影響。然而在此研究中 ,計(jì)算抗汽蝕能力時(shí)只分析了大量下游的初期汽蝕，出口壓力的影響則未被考慮。 Oshima[14]通過試驗(yàn)研究了 (a)閥座的槽長度和 (b)提升閥角度 ,和 (c)油溫對流動特性和汽蝕現(xiàn)象的影響 ,并在液壓提升閥用水代替油作為工作介質(zhì)。汽蝕現(xiàn)象可以被直接觀察到而且也對水壓提升閥中閥座和提升閥表面壓力分布進(jìn)行了檢測分析。在臨界汽蝕的條件下對油和水進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水壓提升閥的流量系數(shù)和臨界汽蝕數(shù)據(jù)不同于油壓的 ,因?yàn)樗哂休^高的密度和較低的粘度。最近 ,Liu[1 16]進(jìn)行了液壓系統(tǒng)中二級液壓閥的流動、汽蝕特性的試驗(yàn)研究 。他們得出的結(jié)論是二級液壓閥比單級的具有更強(qiáng)的抗汽蝕能力，而且座位的形狀對閥的抗汽蝕能力也有影響。汽蝕阻塞只是當(dāng)指數(shù)小于 的時(shí)候出現(xiàn)。他們還進(jìn)行了數(shù)項(xiàng)關(guān)于汽蝕和控制閥結(jié)構(gòu) ,汽蝕和兩個(gè)節(jié)流閥的通道截面比的研究。然而 ,兩個(gè)節(jié)流閥之間的壓力被假設(shè)為常數(shù) ,這可能不適用于具有介質(zhì)腔的二級液壓閥。 作為 Liu[1 16]的擴(kuò)展 ,本實(shí)驗(yàn)將要集中于二級液壓提升閥的汽蝕特性的研究。為了達(dá)到這一目標(biāo)需要進(jìn)行以下研究工作 :(a)在 RNG紊流模型 k 1基礎(chǔ)上 ,用數(shù)值模擬的結(jié)果對位于兩個(gè)節(jié)流閥之間的介質(zhì)內(nèi)腔壓力分布進(jìn)行研究 ,(b)兩個(gè)節(jié)流閥之間的通道截面積比和壓 力對抗汽蝕能力的影響將 要被研究 (c)根據(jù)低汽蝕和低噪聲的原則建立二級節(jié)流閥的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ,(d)并且將通過定制的測試儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ,用來證明的仿真方法的良好適用性和設(shè)計(jì)原則。 2 模擬兩個(gè)節(jié)流閥之間的壓力 狀態(tài)問題 如果水的壓力低于一個(gè)特定溫度下的飽和蒸汽壓力 pv(絕對壓力 )，蒸汽或氣體將要從水中濺出來 ,然后將發(fā)生汽蝕。對于絕對壓力是 MPa，溫度是 20 度的水，一般來說 ,節(jié)流閥汽蝕的可能性可以用一個(gè)汽蝕指數(shù) (K)進(jìn)行測量 ,它可以表示如下 P o u tP inP o u tK ??? Pi n PvPo u t 臨界汽蝕指數(shù) (Kc)是在沒有汽蝕流動的節(jié)流閥中最低限度的汽蝕指標(biāo) 。對于節(jié)流閥 [14]。它表示：如果汽蝕指數(shù) K值小于 ,將發(fā)生汽蝕。因此 ,應(yīng)該使汽蝕指數(shù) (K)應(yīng)大于 免在節(jié)流閥中發(fā)生汽蝕。 通過過節(jié)流閥的壓降越大，汽蝕指數(shù)就越小 (節(jié)流閥發(fā)生汽蝕的可能性也越小 )。二級節(jié)流閥是一種用來減小汽蝕的可行配置結(jié)構(gòu) ,而且正在被越來越廣泛地應(yīng)用于液壓安全閥和節(jié)流閥。圖 1(a)是一種輸水方案的二級液壓節(jié)流閥 ,它是由一個(gè)提升閥和一個(gè)具有階梯孔的閥座組成的。由兩個(gè)串聯(lián)的節(jié)流閥分擔(dān)總壓降。因此 ,通過每一級節(jié)流閥的壓降小于閥的總壓降 ,這和單級節(jié)流閥是不同的。因此，每一級 節(jié)流閥的的汽蝕指應(yīng)該比單級節(jié)流閥大，這樣就降低了出現(xiàn)汽蝕和侵蝕的可能性。 對于二級節(jié)流閥，相比較之下其汽蝕指數(shù) Kt的定義可以表達(dá)如下 P ou tPin P ou tP ou tPin PvP ou tK ??? ??t 實(shí)際上 ,對于每一級節(jié)流閥 ,在一個(gè)單級節(jié)流閥中避免汽蝕的臨界條件都應(yīng)該滿足如下條件 u t1??????K scP o u tinP P o u tK sco u tPP inP 然后利用兩個(gè)節(jié)流閥之間的介質(zhì)腔內(nèi)的壓力分布來計(jì)算每級的汽蝕指數(shù)。可以用 CFD仿真來探討介質(zhì)腔內(nèi)的壓力 分布。 數(shù)學(xué)模型 對于具有軸對稱結(jié)構(gòu)的二級節(jié)流閥，計(jì)算區(qū)域被簡化為一種二維軸對稱幾何模型(ABCDE),如圖 1(a)。 。它的網(wǎng)格 (圖 1)通過 (b)一種先進(jìn)的網(wǎng)格預(yù)處理程序 (流體力學(xué)分析軟件 )[2 22]生成。在圖 1(a)、 AB 和 BC 表示固定的墻體 ,ED 設(shè)置為提升閥、 CD 為進(jìn)口和AE 為出口。假設(shè)水是ρ = ,μ = 106m2/s 的不可壓縮且沒有粘性的液體 ,壓力和溫度對水密度和粘度的影響可以忽略不計(jì) 。假設(shè)所有的墻都是隔熱的且以零速度滑動。入口和出口邊界可以指定為需 要的壓力等級。 方程模型 (凱西湍流動能方程和耗散方程）和多相模型被用于此研究。假定雷諾應(yīng)力和湍流的平均速度梯度動能 (k)，與通過傳導(dǎo)方程（ 6）和（ 7）獲得的耗散速率有一定的關(guān)系。在這個(gè)研究中，包括液相和氣相的多相模型都被認(rèn)為是互相關(guān)聯(lián)的。在各個(gè)相中都滿足質(zhì)量和動量守恒定律。守恒方程的推導(dǎo)可以由所有相的局部瞬時(shí)平衡來完成。體積分?jǐn)?shù)代表被氣相所占的空間?？梢缘玫綒庀嗟倪B續(xù)性方程。 在這些方程中 ,考慮到平均流速梯度 Gk代表了一系列的湍流動能 。sk及 s1分別表示逆有效的無序拉丁字母 k和 l。 仿真結(jié)果對兩個(gè)節(jié)流閥的介質(zhì)腔壓力變化隨著通道面積比和進(jìn)出口壓力等發(fā)生的變化進(jìn)行了較深入有效的研究。即使有大量的數(shù)值模擬分析 ,在這里也不可能包括所有的結(jié)果。相反 ,具有代表性的結(jié)果被用來證明重要的發(fā)現(xiàn)。 如圖 2展示了水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的模擬輪廓圖。通道截面積比 (r)能顯著影響汽蝕的發(fā)生和汽蝕在入口為 10兆帕出口為 1兆帕條件下的強(qiáng)度。有一些關(guān)鍵的通道面積比率包括 r為 ,和 。當(dāng) r 小于 ,會在二級節(jié)流閥的介質(zhì)腔內(nèi)部形成水蒸氣，并且相應(yīng)的水蒸氣最大體積分?jǐn)?shù)會增加到 %,如圖 2(a)所示 。這是由于高流速和強(qiáng)烈的介質(zhì)內(nèi)腔再循環(huán)。再循環(huán)將會導(dǎo)致低壓區(qū)的形成和潛在汽蝕的出現(xiàn)。隨著 r 水平的增加，水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)將會降低。當(dāng) r 范圍在 ~ ,水蒸氣的最大體積分?jǐn)?shù)會下跌 (到 %或以下 ),因此出現(xiàn)汽蝕的可能性也會減小。然而，隨著通道面積比率 (例如當(dāng) r )的進(jìn)一步增加，水蒸氣最大體積分?jǐn)?shù)的會增加到 %%,如圖 2(c)和 (d)所示 。因此會再次發(fā)生汽蝕。 圖 3顯示了不同通道面積比率從 ，在入口壓力為 10兆帕出口為 1兆帕的條件下介質(zhì)腔的壓力模擬 輪廓圖。從圖 3可以看出 ,當(dāng) r 小于 ,壓降會在二級節(jié)流閥的前方或后方單獨(dú)的產(chǎn)生。這看起來像一個(gè)單級節(jié)流閥 ,其抗汽蝕能力也類似于單級節(jié)流閥。當(dāng) r 在 ~ 之間時(shí) ,總壓降將被兩個(gè)串聯(lián)的節(jié)流閥共同分擔(dān)。很顯然 ,一個(gè)合理的 r 水平會幫助抑制二級液壓節(jié)流閥的初期汽蝕的產(chǎn)生。 為了闡明介質(zhì)腔壓力等級和相關(guān)影響因素 (r,入口 ,出口壓力 )之間的相關(guān)性 ,虛線 (l)被用來設(shè)定介質(zhì)腔的壓力等級。他們是從 AE 線中點(diǎn)到對 CD線中點(diǎn)。虛線被分為八個(gè)部分 ,相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)用有序數(shù)字進(jìn)行標(biāo)記 (從 0到 8)。虛線上的 壓力等級用 pl 表示。 在圖 4中顯示了通道面積比率 (r)對在入口壓力為 10兆帕出口為 4兆帕的條件下壓力 (pl)的影響。壓力等級會隨著通道截面積的比例變化。通道截面積比 r 越大 ,虛線上的壓力等級 也越高。然而當(dāng) r 小于 ,介質(zhì)腔內(nèi)的壓力會變低。這是由于小的前節(jié)流閥 ,也可被視為一種射流噴嘴。液體在通過前節(jié)流閥時(shí)會有更小的方向變化和收縮噴射。通過前節(jié)流閥會產(chǎn)生很高的流速 ,壓力也會快速的減小。在這種情況下 ,流動模式就好象了一個(gè)單級節(jié)流閥。