پژوهش‌های مکانیک ماشینهای کشاورزی

پژوهش‌های مکانیک ماشینهای کشاورزی

ارزیابی عملکرد هیدرودینامیکی و کنترل کاویتاسیون در شیرهای کنترل جریان هیدرولیکی: مطالعه‌ی عددی و تجربی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
رضا خسروزاده 1
پژمان نیک اندیش 2
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی جندی‌شاپور دزفول، دزفول، ایران.
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی جندی‌شاپور دزفول، دزفول، ایران.
10.22034/jrmam.2026.14839.752
چکیده
شیرهای کنترل جریان از اجزای اساسی سامانه‌های انتقال توان هیدرولیکی محسوب می‌شوند و تنظیم دقیق دبی روغن را بر عهده دارند. با این حال، وقوع کاویتاسیون با ایجاد ناپایداری دینامیکی، کاهش بازده و افت عمر مفید، عملکرد این شیرها را به‌طور جدی محدود می‌سازد. در این پژوهش، رفتار گذرای کاویتاسیون در یک شیر کنترل جریان سوزنی به‌صورت عددی و تجربی بررسی شد و اثر هم‌زمان پارامترهای هیدرولیکی و هندسی بر ویژگی‌های جریان مورد تحلیل قرار گرفت. مدل عددی جریان دوفازی بر پایه مدل کاویتاسیون شنر-زاور و مدل آشفتگی k–ω SST توسعه یافت. اعتبارسنجی مدل با استفاده از داده‌های تجربی یک مدار آزمایشگاهی انجام شد و مقایسه نتایج نشان داد، میانگین اختلاف دبی پیش‌بینی‌شده و مقادیر اندازه‌گیری‌شده کمتر از ۶ درصد بوده است که دقت مناسب مدل را تأیید می‌کند. در ادامه، تأثیر فشار روغن ورودی (۲۰، ۴۰ و ۶۰ بار)، شعاع انحنای نشیمنگاه (۰، ۲، ۴ و ۶ میلی‌متر) و جابجایی سوزن (1/0 تا 6/0 میلی‌متر)، بر ساختار میدان جریان و شاخص‌های کاویتاسیون ارزیابی شد. نتایج نشان داد، افزایش فشار ورودی و جابجایی سوزن، سبب تضعیف شدت کاویتاسیون و بهبود بازیابی فشار گردید؛ با این حال، اصلاح هندسه نشیمنگاه، بیشترین تأثیر را بر کنترل این پدیده داشت. به‌طور مشخص، اعمال شعاع انحنای ۶ میلی‌متری منجر به کاهش ۹۱ درصدی شاخص کاویتاسیون و افزایش ۲۳ درصدی دبی جریان شد. در مجموع، یافته‌ها بیانگر آن است که بهینه‌سازی هندسی نشیمنگاه، راهکاری مؤثرتر از تغییر شرایط عملیاتی، برای کنترل کاویتاسیون و ارتقای پایداری عملکرد شیرهای هیدرولیکی، محسوب می‌شود.
کلیدواژه‌ها
شیر کنترل جریان
کاویتاسیون
جریان دو فازی
مدل آشفتگی
موضوعات
American Society of Mechanical Engineers. (2009). Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer (ASME V&V 20-2009). ASME.
 
Chen, Y., & Fang, Z. (2022). CFD investigation of transient cavitation control in hydraulic poppet valves. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 16(1), 231–245. https://doi.org/10.1080/19942060.2022.2038836
 
Chen, Y., Liu, H., & Zhang, Q. (2025). Influence of sudden expansion geometries on cavitation behavior of control valves. Scientific Reports, 15(3), 987–1003. https://doi.org/10.1038/s41598-025-43183-4
 
Gao, R., Wang, S., & Zhang, D. (2022). CFD-based cavitation analysis in high-pressure poppet valves using Rayleigh–Plesset model. Tribology International, 173, 107719. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107719
 
He, Q., Zhang, L., & Wang, Y. (2025). Dynamic interaction between cavitation and valve motion in hydraulic systems. Journal of Fluids and Structures, 138, 104982. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstru.2023.104982
 
Kumar, A., Patel, V., & Singh, R. (2022). Visualization and numerical prediction of cavitation erosion in hydraulic poppet valves. Experimental Thermal and Fluid Science, 135, 110693. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2023.104982
 
Lee, C., & Park, S. (2023). Investigation of cavitation suppression by adaptive valve geometry. Flow Measurement and Instrumentation, 92, 102042. https://doi.org/10.1016/j.flowmeas.2023.102042
 
Li, F., Zhao, Y., & Wang, L. (2023). Optimization of poppet valve geometry for cavitation suppression using multi-objective algorithms. Mechanical Systems and Signal Processing, 189, 110150. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2023.110150
 
Lisowski, E., Pawlak, M., & Rajda, R. (2024). Numerical analysis of cavitation erosion in hydraulic spool and poppet valves. Energy Conversion and Management, 306, 118622. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118622
 
Liu, M., Wu, D., & Chen, J. (2025). Design of a novel pump cavitation valve and study of its cavitation characteristics. Water, 17(10), 1503. https://doi.org/10.3390/w17101503
 
Lu, L., Liang, Z., Liu, Y. (2024). Geometrical transition properties of vortex cavitation and associated flow-choking characteristics in poppet valves. Journal of Zhejiang University-Science, 25, 455–469.https://doi.org/10.1631/jzus.A2300114  Systems; Jundi-Shapur University of Technology, 2023. (In Persian)
 
Osterland, S., & Weber, J. (2025). CFD prediction and experimental visualisation of cavitation and its erosion in hydraulic valves. Flow, 5. https://doi.org/10.3389/fflow.2025.00001
 
Qiu, T., Yang, L., Zhang, J., Wang, Z., Song, Y., Ai, C. (2024). Investigation of valve seat cone angle on small opening direct-acting relief valve cavitation noise. Machines, 12, 434. https://doi.org/10.3390/machines12070434
 
Sun, X., Zhou, L., & Chen, J. (2024). Transient flow and cavitation in high-response directional valves. International Journal of Multiphase Flow, 172, 104523. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.104523
 
Sun, P., & Zhao, H. (2025). Performance analysis of poppet valves in deep-sea hydraulic systems considering viscosity–pressure characteristics. Journal of Marine Science and Engineering, 13(6), 1177. https://doi.org/10.3390/jmse13061177
 
Tanaka, M., Suzuki, Y., & Kato, T. (2021). Experimental investigation of vapor bubble formation in hydraulic control valves. Journal of Fluids Engineering, 143(8), 081201. https://doi.org/10.1115/1.4050157
 
Wang, J., Li, X., & Zhao, K. (2025). Cavitation evolution mechanism and periodic flow of aviation pressure poppet valve. International Journal of Fluid Power, 26(1), 33–45. https://doi.org/10.1515/ifp-2025-0004
 
Wang, Y., & He, Q. (2024). Coupled CFD–FEM study of cavitation-induced vibration in hydraulic poppet valves. Computers & Fluids, 274, 106101. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2023.106101
 
Wang, J., Liu, H., & Chen, Z. (2020). Numerical analysis of cavitation flow in poppet valves using a multiphase CFD model. Applied Thermal Engineering, 176, 115403. https://doi.org/10.1016/j.applther.2020.115403
 
Yao, J., Li, M., Li, X., & Kong, D. (2025). Cavitation evolution mechanism and periodic flow of aviation pressure poppet valve. Journal of Hydraulic Engineering, 149(4), 04023018. https://doi.org/10.1515/ifp-2025-0004
 
Yuan, C., Zhu, L., Liu, S., & Li, H. (2021). Examination of Viscosity Effect on Cavitating Flow inside Poppet Valves Based on a Numerical Study. Applied Sciences, 11(23), 11205. https://doi.org/10.3390/app112311205
 
Zhang, Q., Li, Y., & Zhao, X. (2021). Transient cavitation modeling in proportional hydraulic valves. Energy Conversion and Management, 246, 114673. https://doi.org/10.1016/j.encon.2021.114673
 
Zhang, R., Yang, F., & Li, Y. (2025). Investigation on flow and cavitation characteristics in water hydraulic poppet valve. Journal of Systems and Control Engineering, 239 (10), 1812–1826. https://doi.org/10.1177/0959651823117369
 
Zhu, D., Tian, H., Xu, Y., Li, X., Peng, Y., & Wang, J. (2024). Transient cavitation characteristics in high-speed hydraulic valves under dynamic operation. Mechanical Engineering Science, 238(6), 1342–1358. DOI: 10.1243/09544062MES358.