剪切流动波涡耦合的液压阀流体自激振荡机理与控制方法的基础研究

As hydraulic technology develops towards the directions of high power-to-weight ratio, integration and modularization, remarkable shear flow self-excited oscillation occurs in hydraulic valves, which bring serious problems, like whistling flow noise, structure resonance failure, valve control disorder and unexpectedly notch opening, etc. Follow the research route, from basic research of oscillation flow mechanism, to effective flow control method, and finally to the design principles of hydraulic valves in self-excited oscillating flow conditions, three basic issues would be investigated and resolved in this research, which are vortex evolution and fluctuation feedback mechanism in two phase flow with limited space, mathematic modeling and its analytic method of compressible flow self-excited oscillation in non-free field, oscillating flow control method and hydraulic valve design principles in self-excited oscillating flow conditions. The relative deficiency of fundamental thesis is one of the key reasons of hydraulic technology less development in our country, which leads the adverse situation of excessive dependence on import from abroad. The present research is aiming at breaking-through the bottleneck of traditional theory, to build a new more practical one for present use and further development.

本项目针对现代液压技术高功率重量比集成化模块化的应用与发展导致液压阀内显著的剪切流动波涡耦合流体自激振荡现象，以及由此带来的液压阀刺耳啸叫、共振破坏、作动紊乱、意外开启等严重问题，基于从微观流动模型机理到振荡流场控制方法再到振荡流场环境液压阀基础设计准则的认知过程与研究方法，着眼于受限空间与相变介质复杂环境漩涡演进与波动反馈机理，非自由边界可压缩粘性流动自激振荡数学模型与解析方法，自激振荡流场控制方法与振荡流场环境液压阀基础设计准则等共性基础科学问题的研究与解决。基础理论相对缺乏是制约我国液压基础件及整机装备快速发展的关键原因之一，导致长期依赖进口并受国外制约的不利局面，此项研究旨在突破传统液压阀稳态流体传动与静态参数设计的认知和理论局限，建立满足当前应用与未来发展需求的液压阀技术与理论。

液压技术面向高功率重量比集成化模块化发展是必然趋势，液压阀复杂微小结构内的高雷诺数、高马赫数流动导致严重流致振荡现象，诱发严重问题。本项目以液压阀流体自激振荡现象为着眼点，对其物理机制、控制方法、设计优化等进行了较为系统的研究，取得的研究进展如下：. (1) 针对自激振荡机理研究，较为全面的探明了不同流动结构条件下的自激振荡物理机制，提出插装阀自激振荡源自剪切层涡流运动，提出U型滑阀自激振荡源自气液两相喘振，提出伺服阀射流前置级自激振荡源自挡板下游涡街交替。. (2) 针对自激振荡数学建模研究，提出剪切层涡流自激振荡主要发生于湍流核心区，流向切面步调一致、同频振荡；结合相贯面三维特征，以特征流速和特征长度建立振动噪声主频预测，与实验相符；基于剪切层波动方程，建立插装腔动量方程，建立腔底压力振荡数学模型并解析，与实验相符。. (3) 针对振荡流场控制方法研究，提出了插装腔口添加挡块的自激振荡抑制结构设计，实验验证了该方法抑制自激振荡的有效性；数值仿真表明，挡块结构阻断剪切层厚度发育，隔离下游波动反馈，是自激振荡获得抑制的内在机理。. (4) 针对流场耦合阀件优化研究，复现了旋转直驱伺服阀阀芯偏心作动卡滞过程，提出了全局防卡滞阀件参数设计准则；针对插装阀腔底压力振荡，指出压力脉动与开启压力叠加致开启超调，溢流开启自激振荡致稳定性下降；针对V型滑阀及锥阀结构，提出亥姆霍兹共振导致自激振荡加剧，提出了避共振阀腔设计方法。. (5) 针对样机阀件试制测试研究，基于液压阀多类型流体自激振荡物理机制、控制方法及设计优化等研究，设计研制旋转直驱伺服阀，有效避免各类流致振荡问题，测试结果表明所研制阀样机具较好动静态性能。. 基于如上研究成果，发表学术论文14篇，其中SCI论文4篇，EI论文6篇。申请发明专利2项，均获授权。培养博士研究生3名（毕业3名），培养硕士研究生6名（毕业4名，在读2名）。项目负责人获中国机械工业技术发明一等奖1项，排名第9。