卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法_马思宇.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 2 期2023 年 2 月 61 收稿日期：2022-01-14 修稿日期：2022-09-16基金项目：国家自然科学基金项目（51890885）；中国煤炭科工科技创新创业基金项目（2019-TD-2-CXY005）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.01.009卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法马思宇1，韦文术2，于 瑞1，卢海承2，胡经文1，郭宗凯2，周 华1（1.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027；2.北京天玛智控科技股份有限公司，北京 100013）摘 要：针对矿用乳化液泵站卸荷阀的严重气蚀问题，基于多级节流和高压引流原则提出一种适用于高压大流量工况的卸荷阀抗气蚀新结构。选取阀口半锥角、高压引流孔直径作为优化设计变量，融合最优拉丁超立方设计（OptLHD）及多岛遗传算法（MIGA），通过结构参数的变参定量分析获得了各设计变量对阀口空化特性的影响规律，通过参数间的智能优化与匹配，实现以提高阀口抗气蚀性能为目标的参数协同匹配优化。结果表明，优化后的阀口压力梯度显著降低，出口流速下降33.5%，阀套壁面冲击速度下降42.9%，体积平均气相分数下降61.3%。实际应用效果也验证了该优化方法可有效地降低卸荷阀的气蚀损伤程度，对同类型产品的优化设计具有一定的参考价值。关键词：卸荷阀；气蚀；参数协同匹配；多学科仿真中图分类号：TH137 文献标志码：A Parameter cooperative matching optimization method for anti-cavitation structure of unloading valveMASiyu1，WEIWenshu2，YURui1，LUHaicheng2，HUJingwen1，GUOZongkai2，ZHOUHua1（1.StateKeyLaboratoryofFluidPowerandMechatronicSystems，ZhejiangUniversityHangzhou，Hangzhou 310027，China；2.BeijingTianmaIntelligentControlTechnologyCo.，Ltd.，Beijing 100013，China）Abstract：Inviewoftheseriouscavitationproblemofunloadingvalveinminingemulsionpumpstation，anewanti-cavitationstructureofunloadingvalvesuitableforhighpressureandlargeflowconditionwasproposedbasedontheprincipleofmulti-stagethrottlingandhigh-pressuredrainage.Thehalfangleofthevalveportcone，thediameterofthehigh-pressuredrainageholewereselectedastheoptimizationdesignvariables.BycombiningtheoptimalLatinhypercubedesign（OptLHD）andmulti-islandgeneticalgorithm（MIGA），theinfluencelawofeachdesignvariableonthecavitationcharacteristicsofthevalveportwasobtainedthroughthequantitativeanalysisofstructuralparameters.Throughintelligentoptimizationandmatchingamongparameters，theparametercollaborativematchingoptimizationaimedatimprovingthecavitationresistanceofthevalveportwasrealized.Theresultsshowthatthepressuregradientoftheoptimizedvalveportissignificantlyreduced，theoutletflowrateisreducedby33.5%，theimpactvelocityonthevalvesleevewallisreducedby42.9%，andtheaveragevolumegasfractionisreducedby61.3%.Thepracticalapplicationresultsalsoverifythattheoptimizationmethodcaneffectivelyreducethecavitationdamageoftheunloadingvalve，whichhasacertainreferencevaluefortheoptimizationdesignofthelikeproducts.Key words：unloadingvalve；cavitation；parametercollaborativematching；multidisciplinarysimulation0 引言乳化液泵站卸荷阀是综采供液系统的核心部件之一，在系统压力调节方面起着关键作用。由于乳化液为水包油型，其水含量占比高达 95%，因此在面临流量增加，压力损失增大的工况时，极易在阀腔内形成低压区，导致气蚀现象的发生。气蚀问题除了会对阀体本身造成严重的损伤以外1，还会破坏流体的连续性，降低阀口通流能力2，造成系统压力脉动，产生高频噪声及振动，严重影响卸荷系统的平稳卸荷，威胁井下工作人员的生命财产安全。62FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023近年来，随着计算流体力学和流动可视化技术的发展，为人们认识空化机理提供了新的科学手段，使得以流场控制为基础的液压元件结构优化设计成为可能。谢伟等3通过研究分级压降、压力补偿和异形结构的阀口形式，得出流动特性对气穴产生的影响规律，总结出避免气蚀发生的阀口结构；HAN 等4针对水压阀的液动力及空化现象进行数值研究，结果表明二级节流阀可以有效的抑制空化现象的发生；贺杰等5分析了流道背压对锥形节流阀流道内压力、速度和空化区域分布的影响规律；林腾蛟等6阐明了调压阀空化流场的演变过程，总结了不同开度、流量等条件下空化流场的分布特性；牛梦奇等7以某型卸荷阀主阀为研究对象，分析了不同阀口倒角对卸荷阀内部流场的作用机制。以上研究均基于单一变量下对比压力、速度、气相分布云图的方法对锥阀气蚀现象进行仿真分析，忽略了多参数协同效应对阀口抗气蚀性能的影响。同时，传统的设计过程常采用先结构建模后仿真验证的线性工作模式，存在建模工作量大、过程反复的问题8，而随着有限元参数化建模技术的发展，探索整合 CAD、CAE 技术，构建集成一体式的流场分析环境以提高计算分析的效率，显得尤为重要。本文针对卸荷主阀存在的气蚀严重、参数设计步骤繁冗等问题，结合多级节流和高压引流原则提出一种适用于高压大流量工况的卸荷主阀结构，利用 Isight 平台构建一体式流场分析环境，并采用基于最优拉丁超立方设计（OptLHD）及多岛遗传算法（MIGA）的优化策略实现以提高抗气蚀性能为目标的液压阀口结构参数协同匹配优化，该方法可以有效改善卸荷阀的抗气蚀性能，实现结构参数间的智能优化与匹配。1 卸荷阀结构及气蚀问题如图 1（b）所示，乳化液泵站电磁卸荷阀主要由卸荷主阀、增压阀、电磁先导阀、机械先导阀以及先导过滤器等 5 部分组成。由于综采工作面压力高，流量大，系统压力变化频繁，因此电磁卸荷阀需要高频次的开关。当泵站卸荷时，介质经由主阀口流向回油腔，特别是在阀口开度较小的情况下，由于节流作用，介质流速急剧增高，后腔压力迅速降低至介质的饱和蒸汽压，极易在阀口位置形成高速空化射流，如图1（a）所示，仅 2 个月余，阀套内壁面就已出现明显的气蚀破坏界线，阀芯外柱面则呈现大面积气蚀损伤9。（a）卸荷阀气蚀损伤形貌 （b）卸荷阀结构组成图 1 乳化液泵站电磁卸荷阀Fig.1 Electromagneticunloadingvalveofemulsionpumpstation2 卸荷阀计算模型及控制方程边界条件由于卸荷主阀在开启过程中前腔压力不断发生变化，为获取其在不同开度下的压力边界条件，本文以MT/T188.32000 煤矿用乳化液泵站卸载阀技术条件10为执行标准，利用 Simulink 的S-Function 模块，建立如图 2 示出的卸荷阀等效物理模型。选取系统仿真时间为 30s，仿真步长为0.001s，液压源设置为恒流源（1200L/min），额定压力为50MPa，液压介质选定为高水基乳化液（密度为998.2kg/m3，动力黏度为1.00310-3kg/（m s），预设调压区间为 4345MPa。图 2 卸荷阀等效物理模型Fig.2 Equivalentphysicalmodelofunloadingvalve63马思宇，等：卸荷阀抗气蚀结构的参数协同匹配优化方法其中卸荷阀芯最大开度约为6.3mm，最大瞬时流量约为 1270L/min。由于高水基卸荷阀的本质是一种压力调节阀，为简化分析流程，本文选取阀口开度为 1mm 时空化现象进行对比研究，将流场仿真的入口压力设置为28.5MPa，出口压力设置为标准大气压，其余边界设置为无滑移壁面。2.1 流道模型及网格划分通过 UG 软件建立卸荷阀内流道半剖模型，并利用商用网格划分软件 ICEM 进行非结构网格的划分，如图 3 所示，为提高计算精度，在流道壁面增加棱柱型边界层网格，对节流口速度梯度和压力梯度较大的区域进行网格细化，得到网格总数为1806126，为避免由于网格质量引起的计算结果发散，本文中的网格质量均满足大于 0.32。图 3 卸荷阀计算网格Fig.3 Calculationgridsofunloadingvalve2.2 控制方程2.2.1 Mixture 多相流模型Mixture主要关注可相互贯穿的多相流，每一相均有独立的控制方程。当介质中存在未知的界面时，Mixture模型可以很容易的收敛并获得合理的结果。利用该模型可建立流道内部空化数值计算方程组。()+()=tvmmm0（1）()+()=-+()+tvv vpvvFvvmmmmmmmmTkk drk drk,k k=|12=-+()+tvv vpvvFvvmmmTkk drk drk,k k=|12（2）()+()=()=tEvEpkTkkkkk kkkke f f 1212（3）式中，m为混合物密度；vm为混合物质量平均速度；m为混合物黏度；F 为外部质量力；k为 k 相的体积分数，vdr，k为次相 k 的滑移速度；T 为流体的温度，keff为有效热导率。2.2.2 RNGk-湍流模型RNGk-湍流模型在标准 k-模型的基础上在其方程中增加了一项，考虑了漩涡的影响，也使得计算速度梯度较大的流场时具有更高的计算精度。RNGk-湍流模型的输送方程如下：()+()=|+-+tkxkuxkxGGYSiiike f fjkbMk()+()=|+-+tkxkuxkxGGYSiiike f fjkbMk（4）()+()=|+-txuxxCkGC GCii()+()=|+-xxCkGC GCiiie f fjkb 132 22k|()+()=|+-txuxxCkGC GCiiie f fjkb 132 22kRS-+|（5）式中，系数 C1=1.42，C2=1.68；k和为湍动能和湍流耗散率的普朗特数倒数，取值1.393；eff为湍流有效黏度；Gk为平均速度梯度引起的湍动能；Gb为由浮力产生的湍动能；YM为可压缩湍流中的波动膨胀对总耗散率的贡献。2.2.3 Schberr-Sauer 空化模型Schbe