李星星, 王敬成, 章立超, 丁 川
(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 浙江 杭州 310023)
液壓元件中的空化現(xiàn)象是限制液壓元件性能的一個(gè)重要因素[1]。丁川等[2]提出的二維活塞泵和二維活塞流量計(jì)等二維液壓元件均采用二維活塞結(jié)構(gòu)以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速工況的需要。因此,這類二維液壓元件需要面臨在高轉(zhuǎn)速工況下,二維活塞與缸體間的微小間隙中油液受到強(qiáng)剪切而引發(fā)空化現(xiàn)象所致的一系列影響元件性能和使用壽命的問題。在過去的研究中,采用實(shí)驗(yàn)法去歸納分析二維活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)及剪切流場(chǎng)物理邊界條件對(duì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象的影響[2]。隨著研究的進(jìn)一步展開,發(fā)現(xiàn)二維活塞/缸體副微間隙高剪切流場(chǎng)不變條件地長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)剪切,會(huì)使得已產(chǎn)生的空化氣泡“消失”。如果這個(gè)現(xiàn)象切實(shí)存在,且能通過研究確定物理實(shí)現(xiàn)的機(jī)理,則對(duì)解決液壓元件中所面臨的空化問題提供了一種新的思路, 對(duì)提升設(shè)備穩(wěn)定性和工業(yè)發(fā)展具有重大意義。因此,對(duì)二維活塞/缸體副微間隙高剪切流場(chǎng)中空泡“消失”現(xiàn)象開展了研究。
空化是指液體內(nèi)局部壓強(qiáng)低于臨界值時(shí)氣泡的初生、發(fā)展、潰滅以及回彈的動(dòng)態(tài)過程。早期,William等[3]采用穩(wěn)定流速和逐漸升高系統(tǒng)壓力的實(shí)驗(yàn)方法研究空化消失現(xiàn)象,認(rèn)為空化消失的隨機(jī)性要比空化初生的小,且其滯后時(shí)間隨著系統(tǒng)的流速、模型體的尺寸、液體的氣體溶解度等的增大而減小。隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展,空化消失現(xiàn)象通常主要可分為空化氣泡潰滅、氣泡溶解或氣液二相傳質(zhì)3種類型。氣泡潰滅是由于流體具有流動(dòng)性,空化后的氣泡難以保持其形狀,被周圍的流體擠壓后收縮直至消失[4]。氣泡潰滅首先用氣泡動(dòng)力學(xué)模型描述。Rayleigh提出用球形氣泡模型來描述單個(gè)氣泡在無黏流動(dòng)中的生長(zhǎng)和潰滅。Plesset擴(kuò)展了Rayleigh的理論,考慮了黏性力和表面張力的影響[5-7]。兩人共同構(gòu)建的Rayleigh-Plesset方程已被廣泛應(yīng)用于氣泡動(dòng)力現(xiàn)象的研究中。Brennen等[8]對(duì)上述的球形氣泡理論進(jìn)行了總結(jié),并給出了氣泡潰滅時(shí)間的解析解等一些特征。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,大量科研人員采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)氣泡的生長(zhǎng)與潰滅進(jìn)行研究,如Brujan等[9]采用邊界積分法(BIM)數(shù)值研究了單個(gè)氣泡潰滅的最后階段;Tian等[10]采用移動(dòng)粒子半隱式方法(MPS)模擬了二維軸對(duì)稱空泡的潰滅;Zhang等[11]采用三維模型數(shù)值研究了潰滅空泡的強(qiáng)不穩(wěn)定射流沖擊及回彈過程等[12]。
氣泡溶解過程從現(xiàn)象上表現(xiàn)出氣泡體積連續(xù)減小,即通常所稱的“塌陷”過程[13]。氣泡溶解實(shí)質(zhì)是一個(gè)質(zhì)量擴(kuò)散過程,這一質(zhì)量擴(kuò)散過程受質(zhì)量傳遞和動(dòng)量傳遞兩方面控制[13]。最早涉及氣泡在黏彈性液體塌陷的是Fogler等[14],從理論上分析了在無限量的線性Maxwell二型模型的黏彈液體中的一個(gè)球形氣泡的塌陷過程。Tanasama等[15]使用一個(gè)Old Royd三常數(shù)的黏彈模型研究了氣泡在黏彈液體中的塌陷行為,通過考慮氣泡內(nèi)氣體熱力學(xué)行為,觀察到在絕熱條件下氣泡塌陷比在等溫情況下要快;Zana等[16]使用一個(gè)牛頓型流體和一個(gè)改進(jìn)的Old Royd模型的黏彈流體,對(duì)球形氣泡在無限量介質(zhì)中的擴(kuò)散控制的溶解進(jìn)行了研究;Yoo等[17]使用了Zaremba-DeWitt模型在考慮了流動(dòng)力學(xué)和擴(kuò)散基礎(chǔ)上研究了氣泡在黏彈性液體中長(zhǎng)大或塌陷過程的振蕩行為。
氣液二相傳質(zhì)是指在氣體和液體的混合物中,兩種不同物質(zhì)之間通過擴(kuò)散等方式進(jìn)行的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程?,F(xiàn)代的擴(kuò)散概念主要來源于Fick兩大定律[18]。在工程應(yīng)用中,擴(kuò)散常常被認(rèn)為與溫度存在較強(qiáng)的關(guān)系,一般使用Arrhenius方程予以確定,其中Wilke-Chang經(jīng)驗(yàn)公式給出了低濃度下的擴(kuò)散系數(shù)與溶劑黏度以及溫度的關(guān)系[19]。對(duì)于液壓油而言,空氣在液壓油中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的研究較少。國(guó)外有Tellus12的空氣溶解度報(bào)道,國(guó)內(nèi)有郭關(guān)柱等[20]對(duì)于32#抗磨液壓油的空氣溶解度測(cè)量數(shù)據(jù),以及DING Chuan等[21]對(duì)于空氣在液壓油中的擴(kuò)散系數(shù)與溫度及黏度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)和理論探討。
上述空化消失現(xiàn)象的研究?jī)?nèi)容涵蓋了三大主要可能方向的理論建模、數(shù)值仿真、實(shí)驗(yàn)分析過程,為本研究的開展提供了理論支撐和實(shí)驗(yàn)方法的指導(dǎo)。因此,將采用自制的純剪切流變裝置模擬二維活塞與缸體配合微間隙內(nèi)流體的一維運(yùn)動(dòng)工況,分別就不同溫度、流場(chǎng)壓強(qiáng)和油液上方空氣占比等方面對(duì)強(qiáng)剪切場(chǎng)下液壓油中的空氣空泡“消失”現(xiàn)象展開研究。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成原理以及其實(shí)物構(gòu)造如圖1a和圖1b所示,同心圓筒裝置與下方閥塊固連,透明外圓筒在額定功率為1.2 kW的伺服電機(jī)(110ST-M04030)的動(dòng)力輸出下旋轉(zhuǎn),對(duì)微間隙內(nèi)的流體介質(zhì)產(chǎn)生剪切作用,在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下,外圓筒的最高旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)2700 r/min;通過使用聯(lián)軸器連接伺服電機(jī)和同心圓筒裝置的扭矩傳感器(SL06-3AG)可實(shí)時(shí)采集同心圓筒裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩變化,傳感器的量程為0~3 N·m,測(cè)量精度為滿量程的0.2%;通過安裝在定子工作段外壁面附近的溫度傳感器(PT100)獲得不同時(shí)刻內(nèi)部流場(chǎng)的瞬態(tài)溫度;在外圓筒內(nèi)壁面的承壓范圍內(nèi),通過加壓泵加壓以及0.25級(jí)精度的MIK-P300壓強(qiáng)傳感器的監(jiān)測(cè),可在0~3 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)同心圓筒裝置內(nèi)流場(chǎng)的環(huán)境壓強(qiáng);通過有機(jī)玻璃制成的透明外圓筒,在45號(hào)鋼制成的經(jīng)過發(fā)黑處理的定子以及定位板的背景下,借助強(qiáng)光照明,通過相機(jī)錄像的方式捕獲到清晰的流場(chǎng)剪切空化圖像。
圖1 剪切流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
如圖2所示為同心圓筒裝置內(nèi)部的相關(guān)尺寸示意圖。在實(shí)驗(yàn)過程中,通過微間隙為δ的工作腔流場(chǎng)來模擬二維活塞與缸體配合微間隙內(nèi)的一維剪切流場(chǎng),并研究上述影響因素對(duì)微間隙流場(chǎng)剪切空化消失現(xiàn)象的影響。此外,表1給出了同心圓筒裝置的相關(guān)參數(shù)。
表1 同心圓筒裝置相關(guān)參數(shù)
圖2 同心圓筒裝置相關(guān)尺寸圖
為避免油液初始含氣量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,本實(shí)驗(yàn)通過將油液放置于恒溫環(huán)境,暴露于空氣中并靜置一定時(shí)間,使油液的初始含氣量處于平衡狀態(tài);為避免油液初始溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,本實(shí)驗(yàn)通過定子內(nèi)置的溫度傳感器 PT100 的溫度監(jiān)測(cè),可確保其工作腔處的初始溫度在 24 ℃附近。為研究油溫對(duì)該剪切空化消失現(xiàn)象的影響,本實(shí)驗(yàn)通過將上容腔空氣占比(空氣腔高度與上容腔高度L1之比)設(shè)為20%以及60%,以保持內(nèi)部的常壓流場(chǎng),并對(duì)其進(jìn)行持續(xù)強(qiáng)剪切,分析油溫對(duì)剪切空化消失現(xiàn)象的影響;為研究流場(chǎng)壓強(qiáng)對(duì)該剪切空化消失現(xiàn)象的影響,本實(shí)驗(yàn)通過加壓泵加壓裝置內(nèi)流場(chǎng)壓強(qiáng),對(duì)其進(jìn)行持續(xù)強(qiáng)剪切,分析流場(chǎng)壓強(qiáng)對(duì)剪切空化消失現(xiàn)象的影響; 為研究配流槽結(jié)構(gòu)對(duì)該剪切空化消失現(xiàn)象的影響,如圖3所示,相較于光滑內(nèi)圓筒即定子A,按2D活塞設(shè)計(jì)等比例縮放加工出4個(gè)配流槽,即定子B,此外還加工了配流槽長(zhǎng)度為定子B的40%的定子C,本實(shí)驗(yàn)通過更換定子,進(jìn)行有槽流場(chǎng)的持續(xù)強(qiáng)剪切,分析有槽對(duì)剪切空化消失現(xiàn)象的影響。
圖3 定子實(shí)物圖
由先前研究一維運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)的結(jié)論可知,外筒轉(zhuǎn)速越高,會(huì)使無槽流場(chǎng)剪切空化現(xiàn)象越發(fā)劇烈,但是在進(jìn)行了單邊微間隙0.15 mm的無槽流場(chǎng)在常壓且外筒長(zhǎng)時(shí)間保持2700 r/min的剪切空化實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn):常壓恒定高轉(zhuǎn)速下,無槽流場(chǎng)的空化帶會(huì)隨著時(shí)間變化,最后消失。然而在更換大內(nèi)徑的外圓筒使微間隙為0.45 mm,0.65 mm 后,無槽流場(chǎng)以及短槽流場(chǎng)均無法出現(xiàn)剪切空化現(xiàn)象,故后續(xù)將不提及微間隙大小對(duì)空泡消失的實(shí)驗(yàn)影響。具體空化帶變化如圖4所示,剪切空化現(xiàn)象瞬間在無槽流場(chǎng)中部出現(xiàn),且在旋轉(zhuǎn)20 s 時(shí)空化區(qū)間由中部向上下方擴(kuò)散發(fā)展達(dá)到最大范圍,持續(xù)至60 s空化區(qū)間未發(fā)生明顯變化,隨后空化區(qū)間開始逐漸往無槽流場(chǎng)中部收縮,長(zhǎng)條狀空泡逐漸縮短直至消失,且空泡消失速度隨時(shí)間越來越快,空化初生直至消失總過程歷時(shí)約325 s。
圖4 常壓2700 r/min無槽流場(chǎng)剪切空化消失過程
圖5為剪切過程中無槽流場(chǎng)溫度與壓強(qiáng)的變化,t表示剪切時(shí)間。其中溫度以對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng),流場(chǎng)壓強(qiáng)變化趨勢(shì)與溫度大致相似,顯然無槽流場(chǎng)溫度變化對(duì)其內(nèi)部壓強(qiáng)的持續(xù)升高有一定影響,當(dāng)流場(chǎng)溫升值(即空化消失時(shí)流場(chǎng)溫度與初始流場(chǎng)溫度之差)為27.5 ℃且增壓值(即空化消失時(shí)流場(chǎng)壓強(qiáng)與初始流場(chǎng)壓強(qiáng)之差)為40 kPa時(shí)空化帶完全消失。
圖5 無槽流場(chǎng)相關(guān)參數(shù)變化
為探究溫度對(duì)高速流場(chǎng)剪切空化“消失”現(xiàn)象的影響,保持高速剪切流場(chǎng)壓強(qiáng)恒定,對(duì)空氣占比20%及60%的無槽流場(chǎng)進(jìn)行外筒2700 r/min持續(xù)剪切的空化實(shí)驗(yàn)。不同于滿油狀態(tài),上容腔留有空氣,油液持續(xù)剪切,無槽流場(chǎng)內(nèi)的空泡并未完全消失,然而隨油溫上升,其空化區(qū)間仍有一定程度的縮小現(xiàn)象,如圖6所示。上容腔預(yù)留60%的空氣占比,流場(chǎng)空化在5 s后初生,并在20 s時(shí)基本達(dá)到其最大范圍,直至205 s其空化區(qū)間并未發(fā)生較為明顯的變化,而在205~512 s其空泡有一定程度的“溶解”,且盡管512 s時(shí)油液溫度已達(dá)到61 ℃,但其內(nèi)部壓強(qiáng)變化不明顯,空化并未完全消失。顯然在常壓下,流場(chǎng)壓強(qiáng)的上升對(duì)無槽流場(chǎng)的剪切空化消失現(xiàn)象影響更顯著。
圖6 外筒2700 r/min空氣占比60%的無槽流場(chǎng)流態(tài)變化
為探究不同壓強(qiáng)對(duì)高速流場(chǎng)剪切空化“消失”現(xiàn)象的影響,本實(shí)驗(yàn)通過加壓泵對(duì)滿油狀態(tài)的同心圓筒裝置加壓,研究油液在常壓基礎(chǔ)下加壓30, 50, 80, 100, 150 kPa下的外筒2700 r/min的油液強(qiáng)剪切現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各壓強(qiáng)下流場(chǎng)內(nèi)皆出現(xiàn)了剪切空化“消失”現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 不同壓強(qiáng)無槽流場(chǎng)高速剪切空化消失相關(guān)參數(shù)
從壓強(qiáng)對(duì)無槽流場(chǎng)剪切空化影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,外筒旋轉(zhuǎn)速度2700 r/min 且對(duì)無槽流場(chǎng)加壓40 kPa時(shí),其流場(chǎng)仍應(yīng)出現(xiàn)剪切空化現(xiàn)象,故而常壓下外筒2700 r/min無槽流場(chǎng)剪切空化現(xiàn)象消失的過程中,46號(hào)液壓油的溫度變化起著重要作用。此外,如圖7所示,其中橫坐標(biāo)表示初始流場(chǎng)壓強(qiáng),無槽流場(chǎng)剪切空化消失時(shí)間會(huì)隨流場(chǎng)初始?jí)簭?qiáng)的上升呈指數(shù)下降的趨勢(shì),壓強(qiáng)越高剪切空化現(xiàn)象消失時(shí)的溫度越低,顯然壓強(qiáng)越高剪切空化程度越低,故而剪切空化現(xiàn)象消失越快。
圖7 無槽流場(chǎng)高速剪切空化消失
綜合上述實(shí)驗(yàn),可知在油液溫升和由油液溫升所帶來的流場(chǎng)壓強(qiáng)升高的共同作用下,無槽流場(chǎng)剪切空化所產(chǎn)生的空泡會(huì)存在消失的現(xiàn)象,且后者影響更顯著。常溫常壓下,46號(hào)液壓油的空氣溶解度一般為6%~12%,當(dāng)油液系統(tǒng)的壓強(qiáng)及溫度變化時(shí),油液中空氣的溶解度也會(huì)隨之發(fā)生改變。郭關(guān)柱等[21]通過自制的精密活塞式裝置,研究不同壓強(qiáng)和溫度下空氣在油液中本生溶解度的變化。當(dāng)油液處于恒溫狀態(tài)下,空氣的氣體溶解度遵循亨利定律,其本生溶解度與壓強(qiáng)呈較好的線性關(guān)系,空氣在油液中的溶解度會(huì)隨系統(tǒng)壓強(qiáng)上升而上升;當(dāng)油液處于恒壓狀態(tài)下,空氣在油液中的溶解度則會(huì)隨系統(tǒng)溫度的上升而下降,這可以解釋油壓升高所致的空泡消失,然而油液溫升所帶來的影響則需要從別的角度進(jìn)行分析??紤]到剪切空化的主應(yīng)力判據(jù)與被剪切介質(zhì)的黏度息息相關(guān),分析認(rèn)為,因?yàn)橛鸵吼ざ入S溫度上升大幅下降,使得油液所受剪切應(yīng)力不足所致。如圖8所示,各壓強(qiáng)下無槽流場(chǎng)空化消失時(shí)的剪切應(yīng)力明顯小于其最終壓強(qiáng)下的臨界剪切應(yīng)力。因此,初步推測(cè)油液溫升降低了油液黏度,同時(shí)降低了無槽流場(chǎng)所受到的剪切應(yīng)力,使其達(dá)不到相應(yīng)的剪切空化所需的主應(yīng)力,故而造成部分空化消失的現(xiàn)象。對(duì)于無槽流場(chǎng)而言,常壓且加壓情況下外筒持續(xù)高轉(zhuǎn)速剪切油液,油溫上升使油液所受剪切應(yīng)力下降,油壓上升使油液剪切空化所需剪切應(yīng)力增加,兩者影響著空氣在油液中的本生溶解度,促使無槽流場(chǎng)剪切空化從有到無,出現(xiàn)空泡消失的現(xiàn)象。
圖8 不同壓強(qiáng)無槽流場(chǎng)臨界剪切應(yīng)力以及高速空化消失剪切應(yīng)力
二維活塞通常帶有配流槽結(jié)構(gòu),為探究二維活塞外表面上配流槽結(jié)構(gòu)對(duì)空泡消失的影響,在微間隙一定時(shí),本實(shí)驗(yàn)通過將定子A替換為定子B,研究配流槽對(duì)工作腔流場(chǎng)剪切空化“消失”現(xiàn)象的影響。然而,在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),長(zhǎng)槽流場(chǎng)常壓下均未發(fā)生剪切空化現(xiàn)象,故只討論短槽(定子C)流場(chǎng)下的空泡“消失”現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空化消失現(xiàn)象在有槽流場(chǎng)同樣發(fā)生,且實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致,故有槽與否不影響該空化“消失”現(xiàn)象的發(fā)生,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖9所示。
圖9 外筒2700 r/min短槽流場(chǎng)持續(xù)剪切的流態(tài)變化
對(duì)比相同工況下無槽流場(chǎng)的剪切空化消失過程,有槽流場(chǎng)空化“消失”現(xiàn)象初生時(shí)間更短。經(jīng)分析認(rèn)為,造成上述差異的原因在于無槽流場(chǎng)和短槽流場(chǎng)的微間隙純剪切流場(chǎng)的軸向范圍不同。
從流場(chǎng)的壓強(qiáng)變化來看,如圖10b所示,短槽流場(chǎng)在持續(xù)高速剪切運(yùn)動(dòng)時(shí),流場(chǎng)壓強(qiáng)最高上升約20 kPa,而無槽流場(chǎng)剪切空化現(xiàn)象消失時(shí),其流場(chǎng)壓強(qiáng)上升約40 kPa,兩者數(shù)值相差2倍;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在空化現(xiàn)象消失時(shí),無槽流場(chǎng)的流場(chǎng)壓強(qiáng)變化比短槽流場(chǎng)更為明顯。經(jīng)分析認(rèn)為當(dāng)空泡消失時(shí),油液會(huì)填充空泡原本占據(jù)的位置,導(dǎo)致流場(chǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)增加。而在無槽流場(chǎng)中,由于沒有任何障礙物阻擋油液的運(yùn)動(dòng),油液可以快速地填補(bǔ)空泡留下的位置,從而引起更大幅度的流場(chǎng)壓強(qiáng)變化。相比之下,在短槽流場(chǎng)中,空泡的填充過程受限于槽壁的阻擋,因此流場(chǎng)壓強(qiáng)的變化較小。后續(xù)對(duì)不同初始?jí)簭?qiáng)的短槽流場(chǎng)進(jìn)行外筒2700 r/min的持續(xù)剪切運(yùn)動(dòng)使其空化消失的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表3 不同壓強(qiáng)短槽流場(chǎng)高速剪切空化消失相關(guān)參數(shù)
圖11 加壓短槽流場(chǎng)高速剪切空化消失參數(shù)圖
本研究針對(duì)在研究二維活塞/缸體副微間隙高剪切流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的空泡“消失”現(xiàn)象,利用自制的可視化同心圓筒裝置,搭建充分發(fā)展的空化氣泡分布場(chǎng),研究了不同溫度、流場(chǎng)壓強(qiáng)、 油液上方空氣占比以及定子外表面結(jié)構(gòu)等因素對(duì)持續(xù)高剪切中空泡消失的影響,得出以下結(jié)論:
(1) 在純剪切流場(chǎng)空泡消失過程中,空化區(qū)間往流場(chǎng)中部收縮,最終消失,且空泡消失速度隨時(shí)間增加,溫度以對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng),流場(chǎng)壓強(qiáng)變化趨勢(shì)與溫度大致相似;
(2) 在常壓微間隙一定(0.15 mm)下,油液溫升和流場(chǎng)壓強(qiáng)的上升促進(jìn)純剪切流場(chǎng)的剪切空化消失現(xiàn)象的發(fā)生,且后者影響更顯著;
(3) 純剪切流場(chǎng)剪切空化消失時(shí)間隨流場(chǎng)初始?jí)簭?qiáng)的上升呈指數(shù)下降的關(guān)系,壓強(qiáng)越高剪切空化現(xiàn)象消失時(shí)的溫度越低;
(4) 帶槽流場(chǎng)同樣存在空化消失現(xiàn)象,且空泡消失初生時(shí)間更短,其他實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。
可初步判斷加壓初始?jí)簭?qiáng)能夠加速剪切空化消失,減少空化氣蝕對(duì)二維活塞/缸體副系統(tǒng)的危害,一定程度上緩解了二維活塞泵或二維活塞流量計(jì)中所面臨的工程實(shí)際問題,對(duì)提高系統(tǒng)性能和工業(yè)發(fā)展具有重要意義。