劉秀梅, 謝永偉, 李貝貝, 賀 杰, 陳勁松
(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.徐州工程學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018)
空化在泵、水翼、孔板、螺旋槳、噴射泵、文丘里管等液壓部件中廣泛存在,通常指流體中的局部壓力低于飽和蒸汽壓時(shí),空泡的形成、生長以及潰滅現(xiàn)象。一般來說,空化會(huì)帶來諸多不良影響,如對設(shè)備表面造成侵蝕、影響機(jī)械作業(yè)精度、帶來振動(dòng)和噪聲等。研究空化現(xiàn)象及其變化過程中的壓力脈動(dòng)具有重要意義。
現(xiàn)有空化研究主要有:對各液壓機(jī)械中的空化流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬[1-3],并不斷優(yōu)化模型以更精準(zhǔn)的表征空化流場變化情況[4-5],對空化結(jié)構(gòu)變化原因進(jìn)行研究[6-7],對空化結(jié)構(gòu)演變過程中引發(fā)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行特性研究[8-9]等。
為探尋空化云脫落機(jī)理及其變化過程中壓力脈動(dòng)的原因,Long等[10]對水翼空化過程進(jìn)行三維仿真計(jì)算與理論推導(dǎo),研究了空穴體積變化與空穴周圍壓力值的數(shù)量關(guān)系。Wang等[11-12]采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合,研究了收斂-擴(kuò)散通道內(nèi)空泡脫落、潰滅過程,對反射流以及激波機(jī)制下的空泡變化過程并進(jìn)行分析。陳廣豪[13]對收縮-擴(kuò)展流道內(nèi)附著型空穴的瞬態(tài)變化過程進(jìn)行試驗(yàn)和仿真分析,并對其壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究。張孝石通過多場同步測量試驗(yàn),研究了水下航行體肩部空泡形態(tài)變化與速度、渦的關(guān)系,進(jìn)一步揭示了其近壁面壓力脈動(dòng)特性。Zhu等[14]通過對變壓比風(fēng)洞試驗(yàn)中的液氮文氏管內(nèi)空泡的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行分析;研究發(fā)現(xiàn)隨著壓比的增加,空泡脫落頻率與空泡長度在線性增加,且幅值指數(shù)增加。韓亞東等通過將試驗(yàn)測量與數(shù)值模擬相結(jié)合,表明旋渦與空泡相互作用,空泡脫落由反向射流導(dǎo)致,并通過動(dòng)力學(xué)模態(tài)分解分析了空化流動(dòng),提取其主要?jiǎng)恿W(xué)特征。龍新平等[15]對不同空化數(shù)下文丘里管內(nèi)空化引發(fā)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)空化云脫落頻率與文丘里管下游的壓力脈動(dòng)頻率近似。Dastane等[16]采用數(shù)值模擬的方法對文丘里管內(nèi)的空化流動(dòng)進(jìn)行研究,對空化過程中的空泡半徑、潰滅溫度及潰滅壓力進(jìn)行估算,建立數(shù)值模型,Pelz等[17]研究了空化變化過程與空化數(shù)及雷諾數(shù)的關(guān)系,對云狀空穴的增長和反向射流流動(dòng)過程進(jìn)行分析。另外有一些學(xué)者研究了空泡的動(dòng)力學(xué)相關(guān)特性[18]、對文丘里管內(nèi)部空化流動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)分解[19],推進(jìn)了對空化過程中壓力脈動(dòng)情況的研究。本課題組通過試驗(yàn)和數(shù)值討論了調(diào)節(jié)閥內(nèi)穩(wěn)態(tài)空化場[20],但僅局限于喉部。
上述研究主要是對水翼和文丘里管的空化研究,未深入討論液壓閥內(nèi)的空化瞬態(tài)壓力場的變化情況??栈彩且簤合到y(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象,它會(huì)影響液壓元件的壽命及控制精度,因此本文針對液壓調(diào)節(jié)閥內(nèi)瞬態(tài)流場,數(shù)值模擬了閥內(nèi)周期性的空化變化過程及其壓力脈動(dòng)特性等,分析其空化區(qū)內(nèi)部形態(tài)和變化規(guī)律,對于液壓閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。
因?yàn)殚y口中心對稱,且在實(shí)際工程應(yīng)用中空化主要發(fā)生在閥口附近,故本文的仿真模型采用液控調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道空化旋轉(zhuǎn)軸對稱模型,如圖1所示。在本研究中調(diào)節(jié)閥流道總長度為L=75.0 mm,其中上游段L1=21.5 mm,喉部L2=26.75 mm,擴(kuò)張段L3=13 mm,L4=23.5 mm,流道總長度L=75 mm,入口和出口直徑分別為15.0 mm與25.6 mm,r0=3.0 mm,r1=3.5 mm,r2=7.5 mm。
圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model
從圖1可知,液控調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道幾何模型,采用混合網(wǎng)格對全流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對液控調(diào)節(jié)閥口及下游空化區(qū)域進(jìn)行局部加密。在仿真計(jì)算過程中,壓力、速度等參數(shù)發(fā)在節(jié)流口處發(fā)生突變,因此在該處采用三角形網(wǎng)格加密劃分,閥口處放大圖如圖2所示。加密后網(wǎng)格的最小網(wǎng)格尺寸為0.008 mm×0.008 mm。
圖2 閥口放大圖Fig.2 Enlarged view of the orifice
為消除網(wǎng)格數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響,需進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。本文選取閥門入口的質(zhì)量流率作為判斷網(wǎng)格數(shù)是否影響流場分布的依據(jù),發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥入口的質(zhì)量流率隨著格數(shù)的增加而增加。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到100 000時(shí),調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量流率不再隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而變化。因此,將100 000確定為網(wǎng)格數(shù),且流道網(wǎng)格的近壁面y+大部分在30~150之間,可以滿足計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果精度以及壁面函數(shù)的要求。
入口設(shè)置為壓力入口(Pressure-inlet)邊界條件,入口壓力值為5.0 MPa;出口設(shè)置為壓力出口(Pressure-outlet)邊界條件,出口壓力值為1.0 MPa;中心軸設(shè)置為axisymmetric邊界條件。此外,圖1中除入口、出口和中心軸以外的邊界均為壁面(Wall)邊界條件,近壁區(qū)選用壁面函數(shù)對其處理,壁面無滑移。
在本仿真計(jì)算中,液相和汽相被假定為等溫且不可壓縮。采用Fluent軟件中的Mixture模型、Schnerr-Sauer空化模型[21-22]能較好的模擬液壓閥內(nèi)的空化流場。液壓油在30 ℃時(shí)的飽和蒸汽壓400 Pa。
在空化過程中,湍流黏度系數(shù)與兩相流密度有關(guān),且是一個(gè)變化值,因此此處引入修正后的RNG k-ε湍流模型,修正后的湍流黏性系數(shù)表達(dá)式為:
μt=f(ρm)Cμk2/ε,
式中:ρm為混合相密度;ρv為氣相密度;ρl為液相密度。Cμ≡0.085,k為湍動(dòng)能;ε為湍流耗散率,n為一常數(shù),為了更好研究空化現(xiàn)象的反向射流以及大尺度空穴脫落,此處n取10。
針對上述控制方程組在空間進(jìn)行離散。速度和壓力的耦合由SIMPLE算法實(shí)現(xiàn),壓力項(xiàng)離散方式采用Standard格式,其它項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)格式。計(jì)算時(shí)先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,將結(jié)果作為非定常計(jì)算的初值,從而保證計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂速度。為保證在微觀時(shí)間尺度下,對空穴的脫落潰滅進(jìn)行充分觀測,同時(shí)盡可能的節(jié)約計(jì)算資源,此處仿真時(shí)間步長設(shè)為Δt=0.1 μs。
基于上述數(shù)值計(jì)算模型,本文設(shè)置入口壓力為5 MPa,出口壓力為1 MPa,液控調(diào)節(jié)閥開度為60%(開度K=l/lmax,lmax為調(diào)節(jié)閥的總行程),對這一工況下空化流動(dòng)演變的一個(gè)典型周期進(jìn)行了細(xì)致分析,研究了非定??栈葑冞^程及其演變原因,對閥內(nèi)壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析。
一個(gè)周期內(nèi)空化結(jié)構(gòu)的演化過程,如圖3所示。從圖3可知,包含空化的產(chǎn)生、脫落以及潰滅三個(gè)階段的瞬態(tài)周期性空化發(fā)展過程在液壓調(diào)節(jié)閥內(nèi)發(fā)生,一個(gè)周期約為1.77 ms。
圖3 空化結(jié)構(gòu)演化典型過程Fig.3 Typical evolution process of cavitation flow
在時(shí)刻t0,調(diào)節(jié)閥閥口過流面積的減小使得流場內(nèi)部壓力降低,在閥口下游位置開始出現(xiàn)附著型空穴。在t0到t0+0.15 ms時(shí),附著型空穴不斷向下游發(fā)展;在t0+0.47 ms時(shí),附著型空穴在尾部發(fā)生斷裂,這是由反相射流導(dǎo)致的,同時(shí)在閥芯頭部也有空穴產(chǎn)生,位于頭部上表面。在t0+0.47 ms到t0+0.94 ms時(shí),近壁面處的附著型空穴長度在逐漸減小,整個(gè)時(shí)間段均為附著型空穴斷裂、脫落成游離型空穴的過程。在t0+0.94 ms時(shí),游離型空穴完全脫落,且附著型空穴末端開始出現(xiàn)小的空穴脫落。在t0+0.47 ms到t0+1.06 ms時(shí),游離型空穴隨著主流向下游運(yùn)動(dòng),其長寬方向尺度迅速變大,隨著時(shí)間的推移,在t0+1.18 ms時(shí),游離型空穴發(fā)展至最大形態(tài),且在其表面有明顯的波狀波動(dòng)產(chǎn)生。在t0+1.30 ms時(shí),游離型空化逐步分裂為多個(gè)小尺度空穴,且在運(yùn)動(dòng)過程中逐漸潰滅,同時(shí)在t0+1.77 ms時(shí)進(jìn)入下一個(gè)空化結(jié)構(gòu)演化周期,空穴在閥口下游重新開始產(chǎn)生、發(fā)展??昭撀渥兓^程與陳廣豪以及Qiu等[23]的試驗(yàn)研究結(jié)果一致。
由于附著型和游離型空化在喉部及擴(kuò)張段產(chǎn)生,為了具體說明空穴發(fā)展變化過程中其流場變化情況及其誘因,提取了圖3中喉部和擴(kuò)張段近壁面處流體的氣相體積分?jǐn)?shù)、壓力、速度、壓力梯度參量隨時(shí)間變化情況,如圖4所示。為更好的討論1.25個(gè)周期內(nèi)喉部以及擴(kuò)張段中空化場的變化情況,我們?nèi)M坐標(biāo)為無量綱量t/Tref,其中t為實(shí)際流動(dòng)時(shí)間點(diǎn),Tref為空化周期時(shí)間,此工況下為1.77 ms,縱坐標(biāo)為無量綱量x/L2,其中x為橫坐標(biāo)值,L2為喉部長度。為分析空穴發(fā)展過程及形態(tài)變化規(guī)律,我們?nèi)庀囿w積分?jǐn)?shù)值為0.1的等值線作為空穴與油液的邊界線(見圖4(a)中白實(shí)線)。從圖4可知,在時(shí)刻a~時(shí)刻f整周期變化過程中,流場的氣相體積分?jǐn)?shù)、壓力、速度和壓力梯度一直處在變化中,但時(shí)刻a與時(shí)刻f兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的各參數(shù)值基本相同,且對比0~0.25t/Tref與1.0~1.25t/Tref兩時(shí)間段,各參數(shù)值及各參數(shù)變化趨勢基本相同,具有明顯的周期性。
(a) 氣體相積分?jǐn)?shù)
(b) 絕對壓力
(c) 近壁面速度
(d) 近壁面壓力梯度圖4 空化周期中近壁面處各參數(shù)變化情況Fig.4 Variation of parameters near the wall during bubble oscillations
從圖4(a)可知:在x/L2=0~x/L2=2.2區(qū)域可發(fā)現(xiàn),在初始時(shí)刻附著型空穴產(chǎn)生,并在接下來的0.11t/Tref內(nèi)不斷增長,緊接著附著型空穴開始脫落。在接下來時(shí)間段,游離型空穴沿下游不斷發(fā)展;同時(shí),附著型空穴開始回縮,并在e時(shí)刻急劇消失。至f時(shí)刻,附著型空穴再次產(chǎn)生。
從圖4(b)可知,在空化開始時(shí)刻a,未被空穴覆蓋區(qū)域壓力為1.0 MPa左右,接近設(shè)定的出口壓力,被覆蓋區(qū)域壓力遠(yuǎn)低于1 MPa,低壓區(qū)長度隨著空穴增長而變大。在0.5t/Tref左右,x/L2=1.0~x/L2=1.5區(qū)域內(nèi)空穴完成脫落,該區(qū)域壓力逐漸回升,有局部高壓出現(xiàn),但壓力仍低于1 MPa。在附著型空穴完全消失前,流道內(nèi)壓力激升,壓力可達(dá)4.6 MPa,緊接著壓力又回歸至約1 MPa,直至下一周期空穴產(chǎn)生。
從圖4(c)可知,在空穴發(fā)展變化過程中近壁面處一直有反向射流出現(xiàn),且在空穴生長和脫落階段,反向射流的邊界一直隨著空穴末端的位置變化而變化。在壓力激升時(shí)刻,在喉部位置反向射流速度極大,可達(dá)34 m/s。結(jié)合圖4(a)可知,在反向射流速度也急劇增加時(shí),附著型空穴的回縮速度也在急劇增加,進(jìn)一步說明反向射流是空穴發(fā)展變化的重要誘因。
圖4(d)為逆壓力梯度云圖,每個(gè)點(diǎn)的逆壓力梯度值由Px1-Px2(x1>x2)求得。結(jié)合圖4(c)與圖4(d)可知,觀察區(qū)域內(nèi)的逆壓梯度主要出現(xiàn)在反向射流邊界處,最大值約0.06 MPa。說明反向射流由逆壓力梯度導(dǎo)致產(chǎn)生。在附著型空穴增長過程中,空穴覆蓋的區(qū)域處于低壓區(qū),低壓區(qū)域隨著附著型空穴長度的增加在不斷擴(kuò)大。在空穴向下游發(fā)展過程中,氣穴與油液交界面形成比較大的壓力差,從而在近壁面處形成逆壓梯度,導(dǎo)致在近壁面處有反向射流產(chǎn)生。
為進(jìn)一步說明附著型空穴脫落原因,分析了三個(gè)典型時(shí)刻,流場內(nèi)空化云圖、速度云圖、流線圖,如圖5所示。圖5為不同時(shí)刻調(diào)節(jié)閥流道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。從圖5可知,空穴形態(tài)不斷變化,且漩渦伴隨著空穴整個(gè)發(fā)展與脫落過程。
(a) t=0.01Tref空化云圖
(b) t=0.01Tref速度云圖
(c) t=0.02Tref空化云圖
(d) t=0.02Tref速度云圖
(e) t=0.65Tref空化云圖
(f) t=0.65Tref速度云圖圖5 b、c、d時(shí)刻閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)Fig.5 Cavitation flow at the time b,c and d
b時(shí)刻附著型空穴正在緩慢增長,此時(shí)在附著型空化尾部與壁面間有反向射流產(chǎn)生,當(dāng)主流遭遇反向射流時(shí),一個(gè)小型湍流漩渦在緊貼壁面處形成,且此漩渦為逆時(shí)針方向。渦在空穴尾端產(chǎn)生,并伴隨著附著型空穴向下游發(fā)展,但此時(shí)的渦較小,不足以形成足夠的剪切力使附著型空穴脫落。此時(shí)空穴與液體交界面有明顯的逆壓梯度,這是反向射流形成的原因(見圖4)。附著型空穴逐漸增長,渦也在逐漸變大,反向射流沿壁面向上游發(fā)展。由于流道x/L2=1處為喉部和擴(kuò)張段交界處,流線在此處發(fā)生突變,反向射流在此處更容易形成渦(見圖4(c)中方框)。隨著空穴長度增長,空穴末端的渦也在逐漸變大,剪切力增強(qiáng),且反向射流的流動(dòng)介質(zhì)以液相為主,因此會(huì)引起局部壓強(qiáng)上升(見圖4(b)中橢圓框),空穴中間產(chǎn)生局部高壓,附著型空穴末端被渦剪切,促使其進(jìn)一步斷裂和脫落[24]。d時(shí)刻,游離型空穴完全脫離,并向下游發(fā)展,且此時(shí)反向射流繼續(xù)沿喉部壁面向上游發(fā)展,促使附著型空穴逐漸回縮,直至其最終消失。同時(shí),附著型空穴末端形成的渦對附著型空穴末端進(jìn)行剪切,使其發(fā)生小的空穴脫落。
由上述討論可知,在空穴發(fā)展變化過程中,壓力場也在不斷變化,空穴覆蓋區(qū)域壓力較低,空穴離開后壓力逐漸回升,空穴潰滅時(shí)流道內(nèi)產(chǎn)生劇烈的壓力沖擊。為進(jìn)一步研究空穴形態(tài)變化過程中壓力脈動(dòng)特性,我們分別跟蹤喉部、擴(kuò)張段、一次和二次擴(kuò)張段幾何中心處壓力變化情況。數(shù)值計(jì)算得到的10個(gè)空化周期內(nèi)四個(gè)監(jiān)測位置上的壓力變化過程,如圖6所示。圖6(b)為典型的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息圖,圖示表明:調(diào)節(jié)閥下游流道中空化呈現(xiàn)周期性演變趨勢。由于調(diào)節(jié)閥內(nèi)呈現(xiàn)非定??栈Y(jié)構(gòu)演化過程,各監(jiān)測位置處壓力的脈動(dòng)數(shù)值明顯不同,但是總體來看,四個(gè)位置都有比較大的壓力波動(dòng),且有較強(qiáng)規(guī)律性。其中,1處由于受到附著型空穴前端長時(shí)間覆蓋,受低壓影響時(shí)間也最長,且附著型空穴前端較穩(wěn)定,壓力脈動(dòng)也較小,因此1處長時(shí)間處于平緩低壓區(qū)。2、3、4處由于受空穴覆蓋時(shí)間逐漸變短,平緩低壓區(qū)時(shí)長也逐漸減小。
(a) 四個(gè)監(jiān)測位置
(b) 壓力變化時(shí)域圖
(c) 壓力變化功率譜密度圖
(d) 功率譜峰值頻率變化圖圖6 四個(gè)監(jiān)測位置壓力信息Fig.6 Pressure at four monitoring points
圖6(c)為對10周期各位置的壓力信息進(jìn)行功率譜密度譜求取的結(jié)果,從中可以發(fā)現(xiàn),四個(gè)壓力監(jiān)測位置均存在頻率在約565 Hz的主頻峰,由附著型空穴的準(zhǔn)周期生長、斷裂和及其大尺度脫落引發(fā);次級頻率約為主導(dǎo)頻率的各階倍頻,由游離型空穴非定常變化及附著型空穴末端脫落的小氣泡引起。分析流道內(nèi)不同截面的壓力脈動(dòng)信息可知,不同截面上的平均壓力變化具有相同的主導(dǎo)頻率,且該頻率與附著型空穴準(zhǔn)周期生長、斷裂和大尺度脫落頻率基本一致。圖6(d)為功率譜峰值頻率變化圖,對應(yīng)空穴不同形狀,峰值頻率呈現(xiàn)減小的趨勢,但是測點(diǎn)2位于擴(kuò)張段,為空穴形態(tài)變化最劇烈的地方,所以功率譜峰值變化比較大.此外,在十個(gè)周期的空化變化中,1、2、3處最高壓力可達(dá)6 MPa以上,而4處最高壓力遠(yuǎn)小于這三個(gè)位置,約為2.5 MPa。此處可能是因?yàn)槎螖U(kuò)張段的存在有利于減輕空化引發(fā)的壓力脈動(dòng)對下游的影響,對工程應(yīng)用中調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行有實(shí)際的指導(dǎo)意義。
本文引入脈沖因子作為用來檢測信號(hào)中有無沖擊的指標(biāo),脈沖因子表達(dá)式為
I=(Pmax-Pmin)/Parv
(1)
(2)
式中:Pi為時(shí)域上第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力值;采樣時(shí)間間隔為0.01 ms;Pmax為壓力最大值;Pmin為壓力最小值。
圖7呈現(xiàn)的是在10周期非定常變化過程中,整個(gè)流道內(nèi)各截面壓力值的脈沖因子??梢园l(fā)現(xiàn),脈沖因子最大值在x/L2=0.2處,即流道的節(jié)流口處,說明此處壓力脈沖最大??芍昭ㄗ兓^程中,流場內(nèi)受空化影響最大、受沖擊最強(qiáng)位置為x/L2=0.2截面處,因此節(jié)流口也將是受到壓力沖擊最嚴(yán)重的地方、最易形成空蝕的地方,應(yīng)加強(qiáng)對節(jié)流口處的保護(hù)。
圖7 空化十個(gè)周期各截面壓力脈沖因子Fig.7 Pressure pulse riskfactor at each section in ten cavitation oscillationcycles
基于對調(diào)節(jié)閥內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果的分析,結(jié)論如下:
(1) 調(diào)節(jié)閥內(nèi)空穴的發(fā)展變化呈現(xiàn)明顯的準(zhǔn)周期性過程,包括附著型空穴生長,附著型空穴斷裂、脫落,以及游離型空穴的增長和潰滅。
(2) 附著型空穴尾部近壁面處產(chǎn)生的反向射流是引發(fā)其斷裂的直接原因。在空穴形成后,空穴與液體交界面會(huì)形成壓力梯度,進(jìn)而形成反向射流。反向射流與主流相切形成的渦一直剪切附著型空穴,使其斷裂、脫落,渦一直伴隨著空穴變化過程。反向射流中液相為主要流動(dòng)介質(zhì),會(huì)導(dǎo)致局部壓力上升,填充部分氣體空腔,這是引起空穴斷裂的直接原因。
(3) 附著型空穴生長時(shí),空穴覆蓋區(qū)域壓力變低,且附著型空穴前端較穩(wěn)定,壓力脈動(dòng)也較小,其尾部壓力波動(dòng)較大。伴隨著反向射流的發(fā)展,附著型空穴斷裂、脫落形成游離型空穴,整個(gè)過程中壓力脈動(dòng)變得復(fù)雜,原本被空穴覆蓋區(qū)域的壓力開始逐漸回升;空穴大面積潰滅時(shí),流道內(nèi)會(huì)有較大壓力沖擊產(chǎn)生,其值遠(yuǎn)高于出口壓力,加速了殘存空穴的潰滅過程。閥內(nèi)不同截面上的平均壓力變化具有相同的主導(dǎo)頻率,且該頻率與附著型空穴準(zhǔn)周期生長、斷裂及大尺度脫落頻率基本一致。