二級管道節(jié)流過程中氣蝕數(shù)值模擬

羅 鵬， 田 寧， 趙丹洋

(沈陽化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

隨著液壓技術(shù)向著高速高壓大功率發(fā)展，液壓系統(tǒng)的噪聲也日益嚴(yán)重，并且成為妨礙液壓技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的因素，而液壓管道是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的主要因素之一.液壓系統(tǒng)的氣穴現(xiàn)象會影響液壓系統(tǒng)的工作性能，除了產(chǎn)生振動噪聲外，還會使系統(tǒng)的效率降低，損壞零件，縮短液壓元件和管道的壽命，造成流量和壓力的脈動.因此，研究和分析液壓管道的氣穴現(xiàn)象，認(rèn)識液壓管道中產(chǎn)生氣穴的狀況和氣穴產(chǎn)生的界限，氣穴與管道形狀的關(guān)系等對減小和降低液壓系統(tǒng)的振動和噪聲，改善液壓系統(tǒng)的性能有著積極而深遠(yuǎn)的意義.

雖然對氣穴氣蝕的形成機(jī)理和形成過程進(jìn)行過許多研究，學(xué)術(shù)界與工程界也提出了很多猜想和理論，但對一些問題仍未形成統(tǒng)一的認(rèn)識.由于氣蝕是瞬態(tài)過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象，氣泡的生長時(shí)間極短，一般為毫秒，甚至達(dá)到了微秒級.即便使用先進(jìn)的測試器，如高速攝像機(jī)等也很難觀察復(fù)雜的物理過程.羅經(jīng)等［1］利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真技術(shù)，對水輪機(jī)葉片表面氣蝕的典型特征進(jìn)行計(jì)算;廖義德［2］袁桂鋒［3］等用實(shí)驗(yàn)研究方法，以淡水為介質(zhì)，對直動式純水溢流閥的流動特性進(jìn)行仿真.GADAG［4］等對碟閥氣蝕產(chǎn)生的噪聲及震動進(jìn)行了研究;Osman Asi［5］用數(shù)值模擬的方法對閥部分氣蝕損害進(jìn)行了理論分析.雖然進(jìn)行的研究很多，但是大多是對閥體的研究，研究手段以實(shí)驗(yàn)為主，對管道氣蝕研究比較少.節(jié)流管道雖然比較簡單，但是它能夠?yàn)楹芏鄰?fù)雜結(jié)構(gòu)提供一種合理化建議，并在實(shí)際工程應(yīng)用中占有很大的比例，對其進(jìn)行研究具有一定的理論意義和較大的實(shí)用價(jià)值.

1 氣蝕的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 氣蝕現(xiàn)象

氣蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)到臨界值時(shí)產(chǎn)生的一種破壞形式.其過程包含兩個(gè)階段:第一個(gè)階段液體中形成氣泡;第二個(gè)階段氣泡之間相互擠壓破裂，重新恢復(fù)成液體.目前，液壓傳動是以氣穴系數(shù)σ的大小來判斷發(fā)生氣穴的程度.

式中 pU—進(jìn)口壓力;

pD—出口壓力;

pV—水的汽化壓力.

1.2 節(jié)流流道與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及參數(shù)條件

節(jié)流管道形式不同對節(jié)流管道性能有較大影響.根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，節(jié)流管道可以分為普通節(jié)流管道和二級節(jié)流管道.二級節(jié)流管道具有提高閥口抗氣蝕的性能.所以，在實(shí)驗(yàn)研究節(jié)流流道的抗氣蝕性能時(shí)，選擇二級節(jié)流流道作為對比對象有一定的參考價(jià)值.圖1中(a)、(b)分別是采用正常節(jié)流流道和二級節(jié)流流道的結(jié)構(gòu)簡圖，其入口直徑為:D=70 mm，長度L=100 mm，d=40 mm，l=120 mm.

圖1 節(jié)流管道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Throttling pipeline structure diagram

1.3 控制方程組

節(jié)流閥中流體的流動過程可以用連續(xù)性方程、動量守恒方程、湍動能κ及湍動能耗散率ε的輸運(yùn)方程來描述.

定長流動的連續(xù)方程和動量守恒方程為(2)、(3):

連續(xù)方程:

動量守恒方程:

式中:ρ—液體密度;

xi—坐標(biāo)方向;

ui—數(shù)度矢量在xi方向的分量，m/s;

p—流體微元體上的應(yīng)力，Pa;

τij—應(yīng)力張量;

ρgi和Fi—分別為xi方向上的體重力和外邊體積力;

μ—液體的動力黏度，Pa·s;

δij—脈沖函數(shù).

采用Yakhot和Orzag4提出的RNG κ－ε模型——重正化群模型，湍動能κ的運(yùn)輸方程:

湍動能耗散率ε的輸運(yùn)方程:

湍動能黏度μt不是物性參數(shù)，是空間坐標(biāo)函數(shù)，取決于流動狀態(tài);與標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型不同，GK表示平均速度引起的湍動能κ的產(chǎn)生項(xiàng);Eij反映主流時(shí)平均應(yīng)變率;取經(jīng)驗(yàn)常數(shù) Cμ= 0.084 5，αk=αε=1.39，C1ε=1.68，η0=4.377，β=0.012.

1.4 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

圖2是節(jié)流管道計(jì)算網(wǎng)格示意圖.壁面上采用三角形網(wǎng)格，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為175 624個(gè)，整個(gè)網(wǎng)格的生成滿足網(wǎng)格的正交性要求.當(dāng)相對殘差小于設(shè)定的精度10－4時(shí)計(jì)算結(jié)束.

圖2 節(jié)流管道計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.2 Throttling pipeline meshing diagram

1.5 邊界條件

邊界條件定義為進(jìn)口速度與出口壓力.假定壁面絕熱，壁面與流體之間沒有熱交換，所有壁面的軸向徑向速度為0.進(jìn)口:平均流速軸向8 m/s，沿徑向?yàn)?，出口壓力為0，流體介質(zhì)為純水，密度為998.2 kg/m3，20℃時(shí)黏度為1.003× 10－6m2/s，水的汽化壓力為3.54 kPa.

2 計(jì)算結(jié)果

對節(jié)流管道進(jìn)行了仿真，通過計(jì)算，得出節(jié)流管道速度分布圖、壓力分布圖、出口處的速度分布圖、速度等值線分布圖、壓力等值線分布圖等，并主要對速度壓力變化進(jìn)行研究分析.

圖3為入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下普通節(jié)流管道相對速度分布圖.從圖3可以看出:在管道的節(jié)流處產(chǎn)生流體分離現(xiàn)象，并在下游區(qū)域有產(chǎn)生渦流現(xiàn)象的趨勢.管道節(jié)流處流速很高，在節(jié)流管道下游達(dá)到最大值.當(dāng)液體流出節(jié)流管道時(shí)，液體向四周擴(kuò)散，速度降低.節(jié)流口邊緣及管道中心處流速及旋渦強(qiáng)度都較強(qiáng)，消耗主流能量較大，導(dǎo)致壓力與能量的降低，旋渦中心壓力也較低.這些低壓區(qū)的存在是導(dǎo)致流體氣穴產(chǎn)生的主要原因.

圖3 普通節(jié)流管道相對速度分布圖Fig.3 Throttling pipeline velocity diagram

液體從進(jìn)入到節(jié)流管道時(shí)，流速急劇收縮，速度梯度迅速增加，并在節(jié)流口拐角及節(jié)流管道內(nèi)形成流線轉(zhuǎn)折，在高流速下節(jié)流后部極易出現(xiàn)斷面和流體脫離而成為管道內(nèi)壓力最低區(qū).圖4是入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下普通節(jié)流管道相對壓力場分布.由圖4可以看出壓力最低區(qū)域產(chǎn)生于節(jié)流口附近范圍內(nèi)，所以，節(jié)流口附近區(qū)域是氣穴最容易發(fā)生的位置.對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，渴望能夠改變節(jié)流管道內(nèi)部壓力分布和流場狀態(tài)，進(jìn)而減小氣穴發(fā)生的可能性.

圖4 普通節(jié)流管道相對壓力場分布圖Fig.4 Throttling pipeline pressure diagram

對節(jié)流管道進(jìn)行二級的設(shè)計(jì)，使壓力在節(jié)流口后變化緩慢，減小壓力梯度.分析發(fā)現(xiàn)二級結(jié)構(gòu)使壓力變化梯度減慢，流速變化梯度減慢.圖5是二級節(jié)流管管道入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下相對速度分布.與圖3相比節(jié)流管道的速度變化趨勢是相同的.并且速度從19.827 m/s減小到19.168 m/s.

圖5 二級節(jié)流管道相對速度分布Fig.5 Secondary pipeline velocity diagram

圖6是二級節(jié)流管管道入口速度為8 m/s、出口壓力為0工況下相對壓力分布.與圖4相比節(jié)流管道的壓強(qiáng)變化趨勢是相同的，并且最低負(fù)壓由原來的－2.02 MPa升高到－1.77 MPa，并且負(fù)壓范圍明顯減小.所以二級結(jié)構(gòu)對防止節(jié)流管道被氣蝕有改善作用.

圖6 二級節(jié)流管道相對壓力分布Fig.6 Secondary pipeline pressure diagram

圖7 沿程壓力變化曲線Fig.7 Pressure diagram pressure changes curve

由圖7可以看出出口壓力0 MPa、4 MPa、8 MPa的節(jié)流管道降壓主要范圍是在10 mm到50 mm之間，所以，這段氣穴產(chǎn)生的也最多.即節(jié)流管道的氣蝕產(chǎn)生在節(jié)流口的前段.出口壓力為0 MPa在距離節(jié)流管進(jìn)口處很近的位置壓力降到很低的程度，而出口壓力為8 MPa的壓力在節(jié)流管進(jìn)口處降壓比較緩慢，最低負(fù)壓范圍和最低負(fù)壓值也都比較小.在出口壓力為8 MPa節(jié)流管道內(nèi)，壓力沒有下降到水氣化壓力下，不會有氣化現(xiàn)象或很少有氣化現(xiàn)象的發(fā)生.而出口壓力為0 MPa，在節(jié)流管進(jìn)口處壓力降到水氣化壓力下，水被氣化，產(chǎn)生氣泡，因此，更容易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象.所以當(dāng)入口壓力一定時(shí)，兩端壓差越小氣蝕發(fā)生的可能性越小，并且氣穴的產(chǎn)生隨著兩端壓差的增大向出口推移.

3 結(jié)論

通過ANSYS軟件對節(jié)流管道模型的可視化分析，可以得到下面的結(jié)論:

(1)分析結(jié)果表明壓強(qiáng)變化是直接導(dǎo)致氣蝕的原因.因此，在實(shí)際運(yùn)用中，可以通過檢測閥內(nèi)流體壓力的方法預(yù)測氣穴可能發(fā)生的區(qū)域.

(2)在節(jié)流管道參數(shù)相同的情況下，二級節(jié)流管道比普通節(jié)流管道能更有效地降低負(fù)壓值及減小負(fù)壓區(qū)域，使節(jié)流管道具有更強(qiáng)的抗氣蝕性能，并且節(jié)流管道兩端可以承受更大的壓差，為其他管道的設(shè)計(jì)提供了參考.

(3)當(dāng)入口壓力一定時(shí)，兩端壓差越小，氣蝕的可能性越小，氣穴首先在節(jié)流管道入口處產(chǎn)生，并隨著兩端壓差的增大向出口推移.

［1］ 羅經(jīng)，李健.基于CFD的水輪機(jī)氣蝕機(jī)制探討［J］.潤滑與密封，2006(7):102－104.

［2］ 廖義德，劉銀水，黃艷.二級節(jié)流閥抗氣蝕性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.流體機(jī)械，2003，31(6):1－3.

［3］ 袁桂鋒，趙連春，王傳禮.直動式純水溢流閥的動態(tài)特性仿真［J］.機(jī)床與液壓，2006(6):93－95.

［4］ GADAG S P，SPINIVASAR M N.Cavitation Erosion of Laser-melted Ductile Iron［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，51(1/4):150－163.

［5］ Osman Asi.Failure of a Diesel Engine Injector Nozzle by Cavitation Damage［J］.Engineering Failure Analysis，2006，13(7):1126－1133.