楊友勝,陳宇琪,秦彬

(中國海洋大學工程學院,266100,山東青島)

在液壓元件中,阻尼孔起著重要的作用。利用阻尼孔的阻尼特性制成的阻尼器,具有節(jié)流、調(diào)壓、緩沖及減振等作用[1-3]。例如,在先導式溢流閥中,利用阻尼孔在主閥芯兩端形成壓差的特點,主閥芯在壓差的作用下開啟,實現(xiàn)溢流穩(wěn)壓;在定值減壓閥中,主要利用阻尼孔來降低液壓系統(tǒng)某一分支油路的壓力,使分支壓力比主油路壓力低且穩(wěn)定,起著減壓與穩(wěn)壓作用。

因為水具有黏度低、飽和蒸氣壓高等特殊理化特性[4-7],水液壓阻尼孔特性不同于以液壓油為工作介質(zhì)的阻尼孔特性,所以油液壓阻尼孔設計經(jīng)驗不完全適用于水液壓[8]。國內(nèi)外學者對水液壓阻尼孔的特性進行了一系列的研究,例如華中科技大學的朱碧海等,對長徑比l/d=1～15、孔徑d=0.8～3.0 mm的阻尼孔的流量特性進行了實驗研究,其最大工作壓力為3.2 MPa,得到氣蝕發(fā)生時的流量系數(shù)小于無氣蝕發(fā)生時的流量系數(shù)[9];Liu等采用可視化方法,對長徑比l/d=1～15、孔徑d=0.8～3.0 mm的阻尼孔特性進行了研究,其最大工作壓力為12 MPa,得到小長徑比、大孔徑阻尼孔更容易發(fā)生氣蝕,就其所實驗的阻尼孔而言,孔徑d=0.8 mm的阻尼孔抗氣蝕性能最佳[10];Dabiri等以長徑比l/d=1～5的阻尼孔為研究對象,觀察了其在雷諾數(shù)Re=100～2 000下的氣穴現(xiàn)象,對比分析了預測氣蝕發(fā)生時的壓力標準和總應力標準,發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)較低時,2個標準之間的相對誤差較大,隨著雷諾數(shù)的增加,其相對誤差隨之減小,在高雷諾數(shù)、小長徑比下觀察到了水力柱塞流,此時氣蝕區(qū)域消失[11];Yamaguchi等研究了流體介質(zhì)特性和阻尼孔材料對阻尼孔氣穴特性的影響,但對阻尼孔內(nèi)部流場并沒有進行深入的理論和實驗研究[12]。

現(xiàn)有的研究對象阻尼孔特征尺寸較大,工作壓力較低,而特征尺寸對阻尼孔特性的影響很大,并且在水液壓元件中,通常采用微型阻尼孔(d≤1 mm),所以有必要研究孔徑d≤1 mm的阻尼孔特性,完善水液壓阻尼孔設計理論。

為了完善水液壓阻尼孔設計理論,本文以孔徑d≤1 mm、長徑比l/d=2～10的阻尼孔為研究對象,建立了計算模型及實驗平臺,研究了其特征參數(shù)及背壓對流量特性和氣蝕特性的影響,并對結果進行了對比分析。實驗結果表明:①仿真與實驗趨勢一致,誤差較小;②相同壓差下,阻尼孔的流量與孔徑及長徑比呈非線性關系;③有背壓時,阻尼孔的流量和流量系數(shù)均大于無背壓時;且有背壓時,存在流量飽和現(xiàn)象,而無背壓時,流量飽和現(xiàn)象不明顯;④相同長徑比下,大孔徑的阻尼孔更易發(fā)生氣蝕;相同孔徑下,長徑比l/d=7的阻尼孔抗氣蝕效果最優(yōu);⑤背壓對阻尼孔氣蝕特性存在較大的影響。

1 模 型

1.1 物理模型

阻尼孔結構如圖1所示,對孔徑d=0.3～1.0 mm、長徑比l/d=2～10的阻尼孔進行了實驗,具體尺寸見表1。

表1 不同長徑比和孔徑下的阻尼孔長度

注:d1=0.3 mm;d2=0.4 mm;d3=0.5 mm;d4=0.6 mm;d5=0.8 mm;d6=1.0 mm。

圖1 阻尼孔的幾何形狀

1.2 網(wǎng)格模型

鑒于阻尼孔的軸對稱結構,本文將其簡化為二維軸對稱模型,阻尼孔的網(wǎng)格劃分如圖2所示,OO’為對稱軸,AO為壓力進口,FO’為壓力出口,其余為壁面。假設水是不可壓縮黏性流體,壁面不傳熱且沒有滑移,水的密度ρ=998.2 kg/m3,水的黏度μ=1.007×10-6m2/s,忽略溫度和壓力對水的密度、黏度的影響。在仿真過程中,水的汽化壓力高、流速大、水力學直徑小、雷諾數(shù)大,因此引入RNGk-ε湍流模型(能量方程k和耗散方程ε)和多相模型,并利用Mixture模型中的Cavitation模塊模擬阻尼孔的氣穴現(xiàn)象,近壁面區(qū)域采用Enhanced wall treatment壁面函數(shù)。仿真過程中,其溫度控制在27 ℃,并分為無背壓和有背壓2組,其過程如下:①無背壓時,設定出口壓力p2為0.2 MPa,進口壓力p1從0.2 MPa開始,以0.5 MPa為步差遞增至10.2 MPa,最大壓差為10 MPa;②有背壓時,設定進口壓力p1為8 MPa,出口壓力p2從7.7 MPa開始,以0.5 MPa為步差遞減至大氣壓力。

圖2 阻尼孔的網(wǎng)格劃分

1.3 實驗模型

圖3給出了阻尼孔水力學特性實驗原理圖,實驗臺主要由電機、水液壓泵、溢流閥、節(jié)流閥、截止閥、壓力表、壓力傳感器、阻尼孔及量筒等組成。

圖3 阻尼孔流量壓力特性實驗臺原理圖

實驗時,由水液壓泵泵出水,從阻尼孔左側(cè)流入,右側(cè)流出;通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來控制通過阻尼孔的流量及進口壓力,阻尼孔出口壓力由回水路上的節(jié)流閥控制;流量由回水路上的量筒和秒表測得,阻尼孔的進出口壓力由壓力傳感器測得;當節(jié)流閥全開時,出口壓力為大氣壓力。

在實驗過程中,溫度維持在(25±5) ℃,對每組阻尼孔采集無背壓和有背壓2組數(shù)據(jù)。流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關系曲線常用來表征阻尼孔的流動特性,流量系數(shù)的表達式為

Cq=q/[Ad(2Δp/ρ)1/2]

(1)

式中:Ad=πd2/4;壓差Δp=p1-p2。

雷諾數(shù)的表達式為

Re=ud/v=4q/(πdv)

(2)

式中:u為水的流速;v為水的運動黏度;q為通過阻尼孔的流量。

當水介質(zhì)通過阻尼孔時,由于流速急劇升高,使該處壓力降低而達到蒸汽壓,導致產(chǎn)生大量的蒸汽氣泡,形成強烈的氣穴現(xiàn)象。當氣泡隨著水流被帶到高壓區(qū)時,氣泡體積急劇縮小或潰滅,并又重新凝結成液體。這種現(xiàn)象會導致瞬間局部壓力和溫度急劇上升,從而導致液壓元件表面剝蝕,稱為氣蝕現(xiàn)象。氣穴模型屬于多相流模型之一,兩相分別為氣相和液相。氣相和液相的體積比關系如下

αl+αg=1

(3)

式中:αl為液相體積比;αg為氣相體積比。

2 結果討論

2.1 仿真與實驗對比分析

圖4和圖5是d=0.3,0.5 mm的阻尼孔的流量特性仿真與實驗結果。由圖4可以看出,仿真和實驗結果的趨勢一致,在相同壓力條件下,其流量平均相對誤差為5.22%,誤差在允許范圍之內(nèi);由圖5可以看出,在相同雷諾數(shù)條件下,其流量系數(shù)相對誤差小于15%,因此實驗現(xiàn)象可以用仿真結果來描述。

圖4 不同尺寸阻尼孔時流量與壓差的關系

圖5 不同尺寸阻尼孔時Cq與Re的關系

2.2 阻尼孔參數(shù)對氣蝕特性的影響

采用前面的網(wǎng)格模型,本文對d=0.3,0.5,0.8 mm,l/d=2,3,4,5,7,10的阻尼孔進行了仿真模擬。圖6給出了無背壓時阻尼孔的氣相體積比等值線圖,此時阻尼孔兩端的壓差為10 MPa,氣相體積比越大,說明水中的含氣量越多,氣穴現(xiàn)象越嚴重。

(a)l/d=2,d=0.3 mm,αgmax=23.1%

(b)l/d=10,d=0.3 mm,αgmax=99.7%

(c)l/d=2,d=0.5 mm,αgmax=40.9%

(d)l/d=10,d=0.5 mm,αgmax=91.4%

(e)l/d=2,d=0.8 mm,αgmax=55.0%

(f)l/d=10,d=0.8 mm,αgmax=91.0%圖6 氣相體積比等值線圖

圖7 長徑比對最大氣相體積比的影響

圖7給出了各型號阻尼孔對應的最大氣相體積比,當l/d=2～7時,隨著阻尼孔孔徑的增大,最大氣相體積比增大,氣穴現(xiàn)象也越來越嚴重;當l/d=10時,3組阻尼孔的最大氣相體積比均已超過91%,說明此時的氣穴現(xiàn)象十分嚴重,很容易發(fā)生氣蝕。在長徑比相同的情況下,孔徑大的阻尼孔相對于孔徑小的阻尼孔更容易發(fā)生氣蝕。

相同孔徑下,當l/d=2～5時,最大氣相體積比變化不大;當l/d=7時,3組阻尼孔的最大氣相體積比達到最小值,表明l/d=7時,氣蝕對阻尼孔的影響最小。相同孔徑下,l/d=7的阻尼孔抗氣蝕效果最優(yōu)。

2.3 背壓對氣蝕特性的影響

以d=0.4 mm、l/d=5的阻尼孔為例,分析無背壓和有背壓的情況下,阻尼孔氣穴現(xiàn)象隨背壓的變化情況,如圖8所示。

由圖8a可以看出,阻尼孔進口部位有較為微弱的氣穴現(xiàn)象,最大氣相體積比為15.06%;由圖8b可以看出,阻尼孔進口部位出現(xiàn)收縮,收縮斷面處的氣相體積比明顯比其他地方大,表明該處氣穴現(xiàn)象嚴重,即在進口壓力更低時,阻尼孔已出現(xiàn)收縮斷面和氣蝕;由圖8c可以看出,隨著阻尼孔兩端壓差的增大,水流中的含氣量增大,氣穴現(xiàn)象加劇,而且向出口轉(zhuǎn)移;由圖8d可以看出,此時水流中的含氣量進一步增大,并且出口的水流中的氣相體積比也增大,表明氣穴已擴展到阻尼孔出口。

(a)p1=1 MPa,αgmax=15.0%

(b)p1=3 MPa,αgmax=24.3%

(c)p1=5 MPa,αgmax=25.2%

(d)p1=10 MPa,αgmax=32.5%圖8 無背壓時不同進口壓力下的氣相體積比等值線圖

有背壓時,當阻尼孔兩端壓差Δp=6 MPa時,阻尼孔進口開始出現(xiàn)微弱的氣穴現(xiàn)象。Δp較小時,阻尼孔并無氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生,直到Δp≥6 MPa,開始有氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生。

綜上所述,背壓對阻尼孔的氣蝕特性有顯著的影響。在無背壓的情況下,氣穴現(xiàn)象在阻尼孔兩端壓差很小時就產(chǎn)生了;在有背壓的情況下,氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生時的壓差則要比無背壓時高得多?？梢?提高背壓是抑制氣穴現(xiàn)象發(fā)生的重要手段。

2.4 阻尼孔特征參數(shù)對流量特性的影響

圖9給出了無背壓時l=2.18 mm的阻尼孔在不同長徑比時的流量壓差曲線。由圖9可以看出,相同壓差下,隨著阻尼孔長徑比的增大,阻尼孔的流量逐漸減小。相同阻尼孔長度下,長徑比越小,阻尼孔的流量越大。

圖9 不同長徑比時流量與壓差的關系(l=2.18 mm)

無背壓時阻尼孔流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關系如圖10所示。由圖10可以看出,長徑比為4的阻尼孔在無背壓時的流量系數(shù)為0.66左右,明顯小于其他阻尼孔的值,其他阻尼孔的流量系數(shù)在0.7以上。

圖10 不同長徑比時Cq與Re的關系(l=2.18 mm)

圖11給出了無背壓時長徑比為5的阻尼孔在不同長度時的流量壓差曲線。由圖11可以看出,相同壓差下,隨著阻尼孔長度的增大,阻尼孔的流量逐漸增大。在相同長徑比的情況下,阻尼孔越長,阻尼孔的流量也就越大。無背壓時,其阻尼孔的流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關系如圖12所示。由圖12可以看出,長度為4 mm的阻尼孔在無背壓時的流量系數(shù)為0.75左右,小于其他阻尼孔的值,其他阻尼孔的流量系數(shù)在0.85～0.91之間。

圖11 不同阻尼孔長度時流量與壓差的關系(l/d=5)

圖12 不同阻尼孔長度時Cq與Re的關系(l/d=5)

2.5 背壓對流量特性的影響

圖13給出了長度為2.18 mm的阻尼孔在不同長徑比時的流量壓差曲線。由圖13可以看出,無背壓時,阻尼孔的流量均隨著其兩端的壓差增大而增加,流量飽和現(xiàn)象不明顯;有背壓時,在流量達到飽和之前,阻尼孔的流量均隨著其兩端的壓差增大而增加;當兩端壓差達到某一值后,有背壓時開始出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象,流量不再隨壓差的增大而增加;在阻尼孔兩端壓差相同的情況下,有背壓時的流量大于無背壓時的流量;對于相同長度、不同長徑比的阻尼孔,出現(xiàn)流量飽和時的壓差也不一樣。

圖13 有無背壓時流量與壓差的關系(l=2.18 mm)

圖14給出了長度為2.18 mm的阻尼孔在不同長徑比時的流量系數(shù)曲線。由圖14可以看出,有背壓時的流量系數(shù)在0.84～0.95之間,無背壓時的流量系數(shù)在0.85～0.91之間,有背壓時的流量系數(shù)高于無背壓時的流量系數(shù);有背壓時,流量系數(shù)曲線均出現(xiàn)拐點,而此時的壓差是氣穴現(xiàn)象初生時的壓差。由此可見,出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象時,有背壓時的壓差大于無背壓時的壓差;由于氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生,以致部分水流能量被氣蝕消耗,從而導致無背壓時的流量系數(shù)小于有背壓時的流量系數(shù);當壓差增加到一定程度時,有背壓時的氣穴現(xiàn)象愈加嚴重,消耗了更多的水流能量,從而流量系數(shù)曲線出現(xiàn)拐點,開始變小。

圖14 有無背壓時Cq與Re的關系(l=2.18 mm)

3 結 論

本文對水液壓微型阻尼孔的水力學特性進行了研究,得出如下結論:

(1)無論有無背壓,阻尼孔內(nèi)的氣泡首先在進口部位產(chǎn)生,并隨著兩端壓差的增大,氣泡向出口推移,且氣相體積比隨之增大,氣蝕也愈發(fā)嚴重。

(2)孔徑與長徑比對阻尼孔的氣蝕有較大的影響?？讖酱蟮淖枘峥赘装l(fā)生氣蝕,l/d=7的阻尼孔的抗氣蝕性能最優(yōu)。

(3)背壓對阻尼孔氣蝕特性存在顯著的影響,提高背壓有利于抑制氣穴現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)相同壓差時,阻尼孔的流量與孔徑及長徑比呈非線性關系;無背壓時,l/d=4或l=4 mm的阻尼孔的流量系數(shù)均小于其他系列阻尼孔。

(5)背壓對阻尼孔流量特性有較大的影響。有背壓時,流經(jīng)阻尼孔的流量大于無背壓時的流量,且流量飽和現(xiàn)象比無背壓時明顯,流量系數(shù)高于無背壓時的流量系數(shù)。

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