锥形阀芯附近空化泡力学作用效果研究

The liquid jet impact and shock wave of cavitation bubble near the tapered spool were investigated by the theory and experiment methods.The virtual plane boundary model and non-plane boundary model were proposed through the Rayleigh-plesset equation, elongation factor of the rigid boundary and the nubble-boundary interactionn theory. The behavior of the shock wave and liquid jet near the different taper cone spool were analysed. The multi-beam test system of the velocity of the shock waves was established based on the shock wave propagation theory and geometrical optics. The effects of the taper cone of spool on the cavitation were studies by the experiment and numerical calculation, and the instantaneous pressure generated on the surface of the material by liquid jet and shock waves were also obtained. So, the degree of harm on the boundary and the mechanics intensity of the cavitation bubble can be estimated. The result of this research is not only to reduce or avoid cavitation corrosion of the hydraulic components, extending its life and improve the reliability of the hydraulic system, and have important theoretical significance and practical value for the development and improvement of cavitation bubble and cavitation erosion theory.

本项目对锥形阀芯附近空化泡溃灭微射流冲击力及冲击波对阀芯表面的力学作用进行理论和实验研究。基于Rayleigh-Plesset方程、固体边界延长因子以及空化泡与边界相互作用理论，建立多空化泡溃灭过程的无限大锥边界模型，提出虚平面边界假设，分析不同锥度锥形阀芯附近空化泡溃灭的冲击波、微射流等行为。基于冲击波的传播理论和几何光学原理，建立用以测量冲击波波速的非接触式多光束测试方案。实验和数值研究锥形阀芯附近空化泡的动力学行为，分析阀芯锥度变化对空化泡溃灭过程的影响，得到微射流和冲击波在其边界上产生的瞬时压强，实现对空化泡的力学作用强度及其对流道内边界的空蚀危害程度的估算。本项目研究成果不仅对降低或避免液压元器件空蚀、延长其使用寿命、提高液压系统可靠性，且对空泡和空化空蚀理论的发展和完善都具有重要的理论意义和实际应用价值。

液压技术因具有元件布置灵活、控制方便、动态特性好等优点，使其在民用、国防、一般传动、高精度控制系统等领域都得到了广泛的应用。液压锥阀则因具有密封性能好、通流能力大、抗污染能力强等优点，在液压元件中得到广泛的应用。然而当液压油流过锥阀阀芯的锥顶、凸肩等突变结构时，流体压力的变化将诱使空化的发生。严重的空化空蚀现象则会显著的影响锥形节流结构工作稳定性和寿命。.本项目结合刚性边界附近空泡溃灭理论、冲击波传播理论等，运用数值仿真和实验研究的手段对锥形节流阀内阀芯附近的空泡动力学行为及力学作用展开了系统的研究：（1）针对锥形边界附近空泡的动力学行为，提出了虚拟平面边界模型及其数值计算模型，得出了数值模型的边界条件、网格划分方案等。数值和实验研究手段揭示了锥形边界附近空泡的大小、溃灭时间、形状变化、微射流等动力学行为与锥度的关系。（2）建立无限大流体区域内双泡相互作用的物理模型及数值计算模型，研究完成了不同相位差的双空化泡的动力学特性，揭示了其形状、压力分布、射流等动力学参数的变化规律。（3）由导出的冲击波波动方程，设计并建立冲击波波速测试的光束测试系统，实现了空泡溃灭冲击波波速的测试以及计算得到冲击波状态参数。（4）数值和实验研究了不同工况和结构参数节流阀内部空化流场，揭示了不同背压、阀芯锥角和阀座结构下空化流场的初生、空化强度以及空化形状位置特征的变化规律。.本项目的研究成果为研究锥形节流结构中空化空蚀及节流结构稳定性提供的理论参考。为研究空泡对锥阀内壁力学作用提供理论参考，推动锥阀空化空蚀及稳定性研究，为锥阀的优化设计提供技术支持。