文l张飞

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引言

导流板射流伺服阀先导级流场特性对导流板射流伺服阀的性能影响很大。

本研究采用大涡模拟方法研究了DJSV前级流场的压力脉动特性，这对于合理设计DJSV和抑制自激振荡具有重要意义。

建立了伺服阀挠流板前级三维流场的几何模型。采用LES方法分析了喷口、放大器和接收口的几何参数对前级流场分布特性的影响。

结果表明，入口压力对压力振荡有很大影响。通过结构优化可以有效降低挠流式伺服阀中的压力振荡。

偏转板射流伺服阀的工作原理

控制过程是电操作的，前级的作用是利用电磁扭矩电动机与液压放大器结合使用，液压放大器充当电机-机械转换器，并帮助设置滑阀的移动，这对整体性能有重要影响。

当扭矩电动机关闭时，挠流器保持在中间位置，并且流量默认以相同的量分配到两个接收口。

在这种情况下，滑阀两侧的压力相同，滑阀位于中央且不移动，要改变流向，必须改变滑阀位置，滑阀的移动取决于滑阀两端的压力差异。

这是通过操作扭矩电动机来完成的，扭矩电动机负责改变挠流器位置，因此通过这种改变，流量在一个方向中的量大于另一个方向，导致压力差异和滑阀移动；

通过反馈弹簧控制挠流器位置来进行平衡过程。

数值方法

2.1.流域和网格分布

为了开始分析数值模拟，我们首先必须建立代表我们研究领域的几何形状，这是前级的一部分，包括流体通道，这一步是使用CAD软件完成的；

我们几何形状的主要组成部分是供应口、放大器和接收口，它们是受流体流动影响的核心部件，其他部分被提取出来以节省工作量并简化网格生成过程以及求解时间。

Ansys软件（设计建模器）定义了三个边界：入口、出口和壁边界。

同时，使用Ansys Workbench网格化模块采用切割单元法生成网格。网格大小方法导致在挡板槽区域周围生成更细的网格。

为了确保网格质量和收敛性，检查了网格的倾斜度、纵横比和其他测量参数，以确保它们在Ansys手册软件建议的范围内。

2.2.网格独立性测试

在生成网格并获得结果之后，逐渐增加元素的数量来评估使用不同网格获得的结果的可靠性和有效性。

许多参数进行比较以确保结果一致，下表比较了在7MPa入口压力下使用三种不同网格计算的接收口的静压值以及整个域中蒸汽相的百分比。

2.3.控制方程

我们在这项工作中的模拟结果是基于大涡模拟(LES)的，它假设湍流流动可以分解为大涡和小涡。

当求解这些控制方程时，会产生一系列简化的方程。在模拟过程中，小涡从大涡中分离出来。

正如我们所知，湍流的主要流动受到大涡的影响很大；与其他湍流模型相比，LES在预测湍流流动方面的准确性和现实性明显更高。

LES可以获得大尺度的涡旋运动，而亚网格尺度模型可以解决其他尺度的涡旋运动。

模拟的结果和讨论

3.1. 流场特性与压力振荡

对于我们选择的域，即DJSV的前级，我们可以在不同位置进行研究，挠流器可能处于中间位置或指向其中一个接收口的方向。

在我们的模型中，挠流器被设置为处于中间位置，然后开始我们的模拟研究。

我们获得了不同入口压力（从1MPa到24MPa）和输出压力等于大气压力的各种流域内的流场特性，包括速度和压力分布。

可以看到，最大压力以红色显示在供应口处，然后流体的第一射流出现在入口喷嘴处，随着流道面积的减小，压力能量开始转化为动能。

然后流体开始分为两个方向流动，一个通过挠流器喷嘴，另一个通过挠流器侧面，流体在侧面的压力下，挠流器内的流速在壁边较低，在挠流器中心较高。

在挠流器处，我们可以看到高湍流流动，流体在突然受到接收口壁的冲击后发生回流。

由于挠流器处于中间位置，两个接收口的压力相等。接收口和供应口之间的压力差表示挠流器喷嘴前级中的能量损失显著，这在较高的工作压力下非常明显。

关于入口压力为7MPa和24MPa的FFT数据，我们可以看到对于24MPa，存在三个幅度较高的频率分量。

峰值频率为120Hz，而对于7MPa，与其他频率相比只有一个峰值频率，且低于24MPa入口压力的最大幅度。

显然，入口压力的增加会导致更多的频率分量和更高的幅度，表明流场更加湍流。

因此，允许DJSV在相对较低的入口压力范围内进行是减小前级压力振荡的可行解决方案之一。

偏转板射流伺服阀流域参数化研究

前面的部分清晰地解释了流场特性和压力振荡。

将研究改变几何参数的效果，以揭示其对DJSV性能和流场特性的影响，通过流场等值线和FFT数据来监测这种变化对压力振荡的影响。

4.1.改变导流板入口宽度的影响

为评估入口导流板宽度的影响，分析了0.52mm和0.6mm入口导流板宽度的流场，入口压力为24MPa，出口压力为1巴。

0.52mm和0.6mm入口导流板宽度的压力和速度等值线，它们具有与基本形状相同的特性。

4.2.改变偏转板喷嘴长度的影响

研究了改变导流嘴长度对压力振荡的影响，并呈现了DJSV的流场分布。

研究的导流嘴长度分别为0.56mm、0.6mm和0.68mm，将结果与标准长度0.64mm进行比较。

此外，结果表明，在0.6mm和0.68mm的喷嘴长度下，振荡较大，最大振幅出现在1KHz，高振幅出现在9KHz和10KHz。

0.68mm长度的FFT数据，有四个频率振幅，分别为3KHz、5KHz、16KHz和18KHz，最大振幅为8.21*107，出现在3KHz处。

4.3.改变供油喷嘴长度的影响

研究了改变DJSV结构供给喷嘴长度对压力振荡的影响。供给喷嘴长度为0.39毫米和0.27毫米，并将结果与标准长度0.33毫米进行比较。

结果表明，缩短长度导致了更高的频率振幅和压力振荡，这是通过获取的FFT数据和监测点的时间内捕获的压力振荡来证明的。

4.4.采用弯曲的分流楔形而不是V形

根据以前的研究，分流楔形的尖锐边缘会引起回流和能量损失，并且气蚀经常附着在分流楔形附近。

因此考虑将形状更改为弯曲边缘并研究这种形状对流动特性的影响。压力振荡是在与以前章节相同的位置进行测量的。

获得的FFT数据显示了三个峰值频率，分别为1.4千赫兹、3.7千赫兹和6.5千赫兹，振荡范围从小于1兆帕到4兆帕不等。

与基本结构相比，压力轮廓表明能量损失较小，因为在接收端口末端获得了较高的压力。此外，频率分量的幅度较低。

最后，可以得出结论，压力振荡和能量损失得到了减小。

4.5.出口压力变化的影响

由于流场特性受压力场的影响很大，因此调查了改变出口压力如何影响压力振荡和流场分布。

第一个变化是将出口压力设置为2巴。随时间的压力振荡情况，可以清楚地看到与1巴出口压力情况相比，压力振荡有所减小。

获取的FFT数据，以捕获频率成分并确定其幅度。存在两个频率成分，分别为2.5千赫兹和8千赫兹，其中2.5千赫兹的峰值频率低于其他研究的情况。

进行了3巴出口压力的研究。与1巴和2巴出口压力相比，压力振荡随时间减小。

此外，FFT数据显示频率成分的幅度较低。最后，确定增加出口压力可以减小压力振荡。

结论

伺服阀由于不合理的结构参数匹配或不当的工作条件而容易发生自激振荡问题，这可能导致伺服阀阀芯组件损坏或失效。

本研究采用了大涡模拟方法，研究了DJSV前级流场的压力脉动特性，对于合理设计DJSV并抑制自激振荡具有重要的理论意义和实际价值。

进行了参数研究，并在不同时间步骤下获得了各种压力和速度等值线。监测点用于捕捉不同入口压力下的时间内的压力波动，研究了高波动区域的流动。

模拟采用了从1 MPa到24 MPa的各种入口压力，得出随着入口压力的增加，压力振荡也增加，而在接收口开始处最为明显。

此外，利用快速傅里叶变换（FFT），分别记录了7 MPa、14 MPa和24 MPa入口压力下压力波动的幅度和频率。得到的FFT数据清楚地显示，随着入口压力的增加，压力振荡增加。

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