基于AMEsim的高水基Sic納米液壓介質黏度特性仿真分析

恭飛，王雪婷，吳張永，杜奕

摘 ?要： 為研究高水基Sic納米液壓介質的黏度特性，首先采用兩步法制備較高穩定性的納米流體樣品并對其流體屬性進行分析測試，得出流體屬性值，然后通過AMEsim軟件的Media Property Assistant建立高水基Sic納米液壓介質的流體模型，最后應用AMEsim軟件對納米流體、純水和46#液壓油的黏度特性進行數值模擬仿真計算，并討論其在不同溫度、壓力和溶解空氣條件下的變化情況，通過對仿真結果的分析總結出高水基Sic納米液壓介質的黏度特性，為納米流體作為功能流體的應用提供仿真算法基礎。

關鍵詞： 液壓介質;納米;黏度;仿真;功能流體

中圖分類號： TB34 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.001

本文著錄格式：恭飛，王雪婷，吳張永，等. 基于AMEsim的高水基Sic納米液壓介質黏度特性仿真分析[J]. 軟件，2019，40（12）：0105

Simulation of Viscosity Characteristics of High Water-based

Nano-hydraulic Medium Based on AMEsim

GONG Fei1， WANG Xue-ting1， WU Zhang-yong1*， DU Yi2

（1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University of Science and technology， Kunming 650500，

Yunnan， China; 2. City College， Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051， Yunnan， China）

【Abstract】： In order to study the viscosity characteristics of high-water-based Sic nano-hydraulic media， a two-step method was used to prepare a highly stable nanofluid sample and its fluid properties were analyzed and tested to obtain fluid property values. Then， a high water base was established by AMEsim software Media Property Assistant. The fluid model of Sic nano-hydraulic medium was finally applied to the numerical simulation of the viscosity characteristics of nanofluid， pure water and 46# hydraulic oil by AMEsim software， and its variation under different temperature， pressure and dissolved air conditions was discussed. The analysis of the simulation results summarizes the viscosity characteristics of high water-based Sic nano-hydraulic media， and provides a simulation algorithm basis for the application of nanofluids as functional fluids.

【Key words】： Hydraulic medium; Nanometer; Viscosity; Simulation; Functional fluid

0 ?引言

基于水壓傳動技術，現代液壓技術正在不斷的發展和完善，已經成為一門新興技術。19世紀以前，純水作為主要的液壓介質應用于不同的液壓機械和元件上，但由于純水黏度低、易腐蝕元件，潤滑性和密封性較差，以及受電氣傳動的影響，導致液壓技術發展停滯不前[1-3]。20世紀初期，石油工業的興起和耐油合成橡膠的出現使液壓技術轉型進入油壓傳動時代[4-7]，礦物型液壓油成為最主要的液壓介質，極大地提高了液壓元件及系統性能。

目前，受環保節能生態理念的影響，液壓工作介質朝兩個方向發展[8-11]：一是以水作為液壓工作介質的水液壓系統，二是發展環保型液壓工作介質。綜上所述，特制備了一種具有良好的可壓縮性、黏性、潤滑性、安定性、抗泡沫性、阻燃性、潔凈性，相容性以及熱導率大，體積膨脹系數小的高水基納米液壓介質，具有傳遞動力、潤滑、密封、冷卻及防銹等功能。黏度作為液壓介質的重要性能指標，影響著液壓系統的各項性能。黏度過低，流體機械磨損量較大，易造成系統泄漏;黏度過高，液阻增加，機械效率降低，因此只有選擇合適黏度的液壓介質，在外部環境（溫度、壓力）都適宜的情況下，才能降低系統能量損失和磨損量。基于上述分析，以高水基納米液壓介質[12-14]動力源為研究對象，分析在不同壓力和溫度下，液壓介質黏度的變化及其對系統的影響，為環保型高水基納米液壓介質的應用提供參考。

1 ?液壓介質黏度影響因素

流體在外力作用下流動時，分子間內聚力的存在使其流動受到牽制， 從而沿其界面產生內摩擦力，這一特性稱為液體的黏性[15-19]。液壓油黏度是對黏性大小的表示。常用的黏度有3種：動力黏度、運動黏度、相對黏度。在液壓系統中，液壓介質黏度受溫度、壓力、氣泡的影響呈線性變化，尤其溫度影響最大，溫度上升，黏度下降，這一現象稱為黏-溫特性，再者，黏度隨壓力增大而變大，不過這一現象在壓力較低時并不明顯，當壓力大于50 MPa時，壓力的影響變得顯著。當壓力大于1×109 MPa時，礦物油將變成固體。另外，氣泡對黏度也有一定的影響。

2 ?納米流體建模與仿真

Sic納米流體作為液壓介質時，黏度會隨著溫度、壓力、混入的空氣量產生變化，造成系統性能降低甚至直接受損，因此提出一種基于AMESim軟件進行納米流體屬性仿真的方法[19，20]，探究在不同溫度，不同壓力及混入不同空氣量的情況下，Sic納米流體黏度的變化情況。

2.1 ?納米流體制備

作為環保型液壓介質，納米流體除具有一般流體的性質外，還具有良好的潤滑性和導熱性。在進行納米流體仿真之前，首先通過“兩步法”制備得到了Sic納米流體樣品，制備流程如圖1所示，按照n（SiC）∶n（CMC）=3的物質的量之比進行配比，得到了沉降穩定性較好的納米流體如圖2所示。制備過程中所用材料及設備如下：Sic納米材料（45 nm，江蘇先豐納米科技有限公司）、基礎液（實驗室自制的RO反滲透膜處理水）、分散劑（羧甲基纖維素鈉CMC）;JPT-1架盤天平、JH-100數顯恒溫控速電動攪拌器（金壇市晶玻實驗儀器廠）、KQ超聲波清洗儀（東莞市科橋超聲波設備有限公司）、工業冰箱（東莞市威諾試驗設備有限公司）、SNB-1數字旋轉粘度計（維德儀器儀表有限公司）、BSY-109密度測定儀（大連北港石油儀器有限公司）、分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司）800型離心機、電子分析天平、燒杯。

圖1 ?高水基納米流體制備流程

Fig.1 ?High water-based nanofluid preparation process

圖2 ?Sic納米流體樣品

Fig.2 ?Sic nanofluid sample

以下通過對Sic納米流體基本屬性進行理論分析，采用相關儀器設備對Sic納米流體樣品進行測試得到不同屬性特征值，為Sic納米流體的黏度仿真模型建立提供了準確的實驗數據。

2.2 ?納米流體建模

2.2.1 ?黏度理論

黏度是度量黏性大小的物理量，通常用運動黏度黏度和動力黏度表征，兩者的關系由以下公式得出：

（1）

式中，μ—動力黏度;τ—剪應力;—剪切率;ν—運動黏度;ρ—液體密度。

溫度變化使液體內聚力發生變化，因此液體的黏度對溫度的變化十分敏感，溫度升高，黏度下降，這一特性稱為黏溫特性。試驗驗證，當溫度在30～150℃范圍內，對運動黏度ν<76 cSt的液體，其黏度與溫度的關系可以表示為：

（2）

其次，當液體所受的壓力增加時，分子間的距

離縮小，內聚力增大，其黏度也隨之增大。在實際工程中，當壓力大于5 MPa，需要考慮壓力對黏度的影響，其關系式為

（3）

根據以上納米流體的基本特性理論分析，對流體基本屬性測定結果如下，其工作溫度范圍為5～55℃，工作壓力范圍為0～50 bar，參考壓力等于1 bar，參考體積模量等于13000 bar。

表1 ?Sic納米流體屬性特征值

Tab.1 ?Sic nanofluid attribute eigenvalues

測試方法 Sic納米流體特征值

運動粘度（單位：cSt） ASTM D445

8℃時運動粘度 49.23

25℃時運動粘度 18.90

60℃時運動粘度 8.35

20℃時密度（單位：kg·m–3） ASTM D4052 1.0055

體積彈性模量（單位：N·m-2）

20℃恒壓下比熱容（單位：J·（kg·℃）–1）

20℃時的熱導率（單位：W·（m·℃）–1） 2.43

4180

0.645

2.2.2 ?仿真模型建立

通過AMESim軟件對Sic納米流體的基本屬性進行仿真研究[21]，首先將計算好的Sic納米流體屬性特征數據編譯到軟件中，其次對編譯好的系統進行參數設置，最后進行仿真測試，繪制數據圖。

根據以上步驟在AMESim熱液壓子系統中搭建的Sic納米流體屬性仿真模型如圖3所示。

將表1的Sic納米流體屬性特征值通過AMEsim軟件的Media Property Assistant模式建立物理模型，

如圖4所示。

圖3 ?Sic納米流體屬性仿真模型

Fig.3 ?Sic nanofluid property simulation model

（a）動力粘度 （b）密度 （c）比熱比

（d）熱導率 （e）體積彈性模量 （f）熱膨脹系數

圖4 ?Sic納米流體物理模型圖

Fig.4 ?Physical model diagram of Sic nanofluid

圖4所示的Sic納米流體物理模型圖包含：（a）動力粘度;（b）密度;（c）比熱比;（d）熱導率;（e）體積彈性模量;（f）熱膨脹系數。圖中的紫色到紅色的彩虹色帶標定了以上Sic納米流體特性由大到小的回歸函數值，從圖中可以得到Sic納米流體的物理模型是合理的，符合Sic納米流體的基本屬性特征。

2.3 ?仿真分析

文中采用AMEsim軟件，搭建了液壓回路系統的基本結構參數化模型如圖5所示。

此液壓回路系統中包括電機、液壓泵、溢流閥、兩位四通換向閥、液壓缸和負載質量塊，而對于本論文最關鍵的兩個模塊一是fluidprops流體屬性模塊，二是液壓源模塊。流體屬性模塊它可以對整個系統在不同溫度和壓力環境下的液壓介質進行實時準確監測。液壓源模塊是液壓系統的液壓介質屬性模型，本文基于此建立了46號液壓油、純水和高水基Sic納米流體三種液壓介質模型，建立方法如3.2節所示，液壓系統設定的溫度范圍為5℃～100℃，壓力值為0～5 MPa，空氣含量是通過選擇AMEsim軟件流體屬性模型參數的noon和standard caviation模式

圖5 ?液壓系統回路模型

Fig.5 ?Hydraulic system loop model

進行不同模式的計算。系統仿真結果如圖6、7、8所示。

圖6為高水基Sic納米流體、純水和46#液壓油在不同溫度條件下的黏溫特性曲線。

圖7所示為為高水基Sic納米流體、純水和46#液壓油在不同壓力條件下的黏壓特性曲線。

圖8所示為為高水基Sic納米流體、純水和46#液壓油在溶解空氣的條件下的黏度影響。

高水基Sic納米流體 純水 46#液壓油

圖6 ?不同溫度下的黏溫特性曲線

Fig.6 ?Viscosity-temperature characteristics at different temperatures

高水基Sic納米流體 純水 46#液壓油

圖7 ?不同壓力下的黏壓特性曲線

Fig.7 ?Viscosity characteristics under different pressures

高水基Sic納米流體 純水 46#液壓油

圖8 ?溶解空氣條件下的黏度影響曲線

Fig.8 ?Viscosity effect curve under dissolved air

3 ?實驗結果分析

從圖6可以得到高水基Sic納米流體的黏度隨溫度的上升而下降，在溫度為5℃時的運動黏度為36.23 cSt，23℃時為18.9 cSt，100℃為5.012 cSt，通過以上數據分析可以得出高水基Sic納米流體在極低溫與極高溫環境下黏度值變化呈線性穩步下降，數值波動較小，根據其組成成分可以推測Sic納米顆粒對基礎液體的黏度由顯著提高，通過對比純水和46#液壓油可以得出高水基Sic納米流體的黏溫特性明顯好于這兩種液壓介質，這其中純水由于初始黏度值較低，隨溫度變化也呈現穩定下降，可它的黏度范圍不適宜作為液壓介質，而46#液壓油的初始黏度值雖高于高水基Sic納米流體，但它的黏溫特性較差，黏度值對溫度十分敏感，不適宜在高溫環境中使用。

根據圖7可以看出壓力變化對三種液壓介質的黏度變化影響較小，這符合一般牛頓流體的特性，同時也可以得到當在壓力高于140 bar時需要考慮壓力對液壓介質黏度的影響。

由圖8可以總結出氣泡對包括高水基Sic納米流體在內的液壓介質的黏度是會造成影響的，其中氣泡對高水基Sic納米流體和46#液壓油的黏度會造成降低，而對于純水的黏度有提高作用，同時也可以得出氣泡對液體黏度影響是極微小的，只有在考慮極精確的計算時才需要考慮氣泡的影響，例如在微流控環境下需要考慮此種情況。

參考文獻

[1]劉銀水. 水液壓傳動技術基礎及工程應用. 北京： 機械工業出版社， 2013.

[2]唐群國. 水液壓傳動技術[M]. 華中科技大學出版社， 20131.

[3]楊華勇， 周華. 水液壓技術研究新進展. 液壓與氣動. 2013（2）： 1-6.

[4]王彩霞. 液壓傳動的應用技術. 新技術新工藝， 2010（5）： 69-70.

[5]張奕. 液壓與氣壓傳動. 北京： 電子工業出版社， 2010.

[6]劉仕平， 姚林曉. 液壓與氣壓傳動. 北京： 電子工業出版社， 2015.

[7]高永利. 液壓油的現狀與發展. 潤滑油， 2001， 16（3）： 58-61.

[8]李松晶， 阮健， 弓永軍. 先進液壓傳動技術概論. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學出版社， 2008.

[9]楊華勇， 周華. 水液壓技術研究新進展. 液壓與氣動， 2013（2）： 1-6.

[10]魏喜新. 液壓技術手冊. 上海： 上海科學技術出版社， 2013.

[11]康海娥. 液壓油質量問題的研究[碩士學位論文]. 天津， 天津大學， 2011.

[12]Turkyilmazoglu Mustafa. Fully developed slip flow in a concentric annuli via single and dual phase nanofluids models[J]. Computer methods and programs in biomedicine， 2019， 179.

[13]Mukesh Kumar P C， Arun Kumar C M. Numerical evaluation of cooling performances of semiconductor using CuO/water nanofluids[J]. Heliyon， 2019， 5（8）.

[14]Hassan Pahlavanzadeh， Mehrdad Khanlarkhani， Sajjad Rezaei， Amir H. Mohammadi. Experimental and modelling studies on the effects of nanofluids （SiO 2， Al 2 O 3， and CuO） and surfactants （SDS and CTAB） on CH 4 and CO 2 clathrate hydrates formation[J]. Fuel， 2019， 253.

[15]鄒高永， 王國志， 鄧斌， 吳文海， 唐敬來. 深海油壓動力源液壓油黏度的選用研究[J]. 機床與液壓， 2016， 44（19）： 34-37.

[16]Chris Jaudon，Robert Jackson，Tom Gallagher. The Effect of High Viscosity Index on Fuel Economy with Bio-Derived Hydraulic Oils[J]. Tribology & Lubrication Technology， 2016， 72（4）.

[17]Adam Bure?ek，Lumír Hru?ík，Martin Va?ina. Evaluation of Oil Viscosity Influence on Hydraulic Shock in Long Pipe[J]. Applied Mechanics and Materials， 2014， 3461.

[18]Xavier Paredes， María J. P. Comu?as， Alfonso S. Pensado， Jean-Patrick Bazile， Christian Boned， Josefa Fernández. High pressure viscosity characterization of four vegetable and mineral hydraulic oils[J]. Industrial Crops & Products， 2014， 54.

[19]Jaeheun Kim， Jinwoo Lee， Kihyun Kim. Numerical study on the effects of fuel viscosity and density on the injection rate performance of a solenoid diesel injector based on AMESim[J]. Fuel， 2019， 256.

[20]李煒. 基于AMESim的液壓支架液壓系統性能仿真分析[J].機械研究與應用， 2019， 32（03）： 183-186.

[21]涂永平. 基于AMESim的液壓支架液壓系統性能仿真分析[D]. 重慶交通大學， 2014.