轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)配流口與泵腔空化特性對比分析

孫澤豪　張洪信　趙清海　姜曉天

摘要：針對配流系統(tǒng)中存在的空化現(xiàn)象，本文主要對轉(zhuǎn)套式配流口和泵腔空化特性進行對比分析。采用Fluent對系統(tǒng)進行流體動力學仿真計算，并采用Singhal空化理論模型，在相同轉(zhuǎn)速、相同入口壓力和相同負載壓力條件下，對配流口和泵腔的空化氣體體積分布云圖、平均氣體體積分數(shù)曲線圖以及速度矢量圖進行對比分析。研究結(jié)果表明，配流口內(nèi)平均氣體體積分數(shù)整體小于泵腔，且最大體積分數(shù)出現(xiàn)時間較早、整個空化過程持續(xù)時間短;另外，在配流口和泵腔內(nèi)會出現(xiàn)渦流，而且隨著渦流加劇，空化現(xiàn)象也更嚴重，說明配流口作為兩個不同壓力場之間的連接部分，空化程度沒有低壓區(qū)域劇烈，其中一個原因是高壓區(qū)會抑制空化現(xiàn)象，另外則是高壓區(qū)和低壓區(qū)連通后低壓區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生劇烈渦流，導致低壓區(qū)局部壓力降低。該研究為后期系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng); 空化; 平均氣體體積分數(shù); Fluent仿真

中圖分類號： TH137.51文獻標識碼： A

文章編號： 1006-9798（2020）02-0091-06; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.014

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)利用往復柱塞泵柱塞固有的往復直線運動，驅(qū)動配流套單向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)配流，克服了閥式配流系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、壓力損失、成本、容積效率等方面的弊端[1]。目前，關(guān)于轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的研究還比較少，徐威等人[2-3]完成了轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的參數(shù)化設計和虛擬樣機設計，并探討了轉(zhuǎn)套的3種凸輪槽型線與轉(zhuǎn)套運動的關(guān)系;張延君等人[4-10]以水為工作流質(zhì)對往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)泵內(nèi)的非定常流動進行仿真，確定了配流口、減振槽結(jié)構(gòu)及最佳閉死角;姜曉天等人[11]以isight為優(yōu)化設計框架，搭建了系統(tǒng)設計優(yōu)化平臺，完成了對U型減振槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化;程前昌等人[12-13]將轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)與閥式配流系統(tǒng)在體積結(jié)構(gòu)、壓力脈動和容積效率3個方面進行對比研究，并確定線性凸輪槽型線性能最優(yōu)。前期工作對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和空化特性進行了系統(tǒng)研究，基本奠定了配流系統(tǒng)設計分析的理論基礎(chǔ)，但如果要深入全面地優(yōu)化配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還需對配流口與泵腔的空化特性重點把握，這也是了解配流系統(tǒng)工作特性的需要?；诖?，本文主要對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的配流口和泵腔的空化特性進行對比分析，并分析了渦流對氣體體積分數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，泵腔中的渦流現(xiàn)象非常明顯，具有覆蓋面積大、入口流速高和渦流方向單一的特點，而且渦流產(chǎn)生時會降低局部壓力，壓力的降低又是空化氣泡產(chǎn)生的催化條件，這說明泵腔內(nèi)的空化現(xiàn)象比配流口處更劇烈。該研究為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的理論依據(jù)。

1空化原因分析及理論模型介紹

1.1空化產(chǎn)生原因

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)工作時，配流口和泵腔在吸油、排油過程中壓力會不斷變化，尤其在吸油起始階段，泵腔內(nèi)部會出現(xiàn)較低壓力，當壓力低于油液的最高空化壓力時，明顯發(fā)生空化現(xiàn)象，產(chǎn)生影響系統(tǒng)工作性能的空化氣體。尤其在進油起始階段，配流口處和泵腔內(nèi)極易產(chǎn)生渦流，在渦流中心區(qū)壓力較低，易達到空化的臨界壓力，產(chǎn)生氣泡。轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其具體工作過程在此不再贅述。

1.2空化理論模型

Singhal空化理論模型[14-18]考慮了湍流壓力波動、氣泡運動、液體表面張力及不可凝氣體質(zhì)量分數(shù)等方面對氣相變化的影響，在考慮影響空化因素方面較為全面，適合進行液體空化仿真精確計算。根據(jù)經(jīng)驗，轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)空化分析采用Singhal空化理論模型最為合理，該模型考慮湍流波動及永久性氣體影響，并以局部湍動能的平方根代替特征速度，得到氣液傳質(zhì)的蒸發(fā)率se、冷凝率sc分別為

式中，ce和cc為推薦經(jīng)驗系數(shù)，ce=0.02，cc=0.01;k為局部湍動能平方根;σ為液體表面張力系數(shù)，σ=0.03 N/m;ρl為液相密度，ρl=865 kg/m3;ρv為氣相密度，ρv=0.476 9 kg/m3;fv為蒸汽質(zhì)量分數(shù);fg為永久性氣體質(zhì)量分數(shù);p是液體壓力;pv是飽和蒸汽壓力，pv=400 Pa;p′v為發(fā)生湍流條件下的飽和蒸汽壓力。發(fā)生湍流條件下的飽和蒸汽壓力為

2空化氣體分布變化過程比較分析

2.1配流口內(nèi)部空化氣體分析

在配流口周期性轉(zhuǎn)動過程中，空化氣泡不斷地產(chǎn)生又潰滅，其位置及數(shù)量不固定，難以準確監(jiān)測，但可以通過監(jiān)測宏觀氣體體積分數(shù)，得知空化氣體的位置分布及空化現(xiàn)象的劇烈程度。

在第1工作周期0.011～0.016 s的時間范圍內(nèi)，配流口空化氣體體積分布云圖如圖2所示。其中，t為工作時間，θ為轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)角。由圖2可以看出，吸油起始階段，配流口內(nèi)部整體都出現(xiàn)一定程度的空化現(xiàn)象，大部分區(qū)域氣體體積分數(shù)在20%以下，且分布較為均勻;隨著吸油過程進行，配流口各區(qū)域氣體體積分數(shù)有增大趨勢，逐漸由底部區(qū)域向上擴散;隨著吸油過程繼續(xù)進行，頂部區(qū)域空化氣體逐漸溶入到油液中，而底部區(qū)域氣體體積的質(zhì)量分數(shù)則較高，主要集中在配流口內(nèi)側(cè)與泵腔接通部分及外側(cè)與進油腔通流區(qū)域;進入穩(wěn)定的吸油階段后，配流口內(nèi)空化氣體便會逐漸消失。

由于對配流口各區(qū)域的空化程度無法進行量化分析，因此可以通過監(jiān)測配流口處平均氣體體積分數(shù)隨時間及轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)角的變化，可以知到空化劇烈程度及變化情況，配流口內(nèi)平均氣體體積分數(shù)如圖3所示。由圖3可以看出，配流口空化現(xiàn)象呈周期性循環(huán)，且主要集中在每個周期的吸油起始階段。以第1個工作周期為例，開始時平均氣體體積分數(shù)達到23%左右，隨著柱塞移動，流場內(nèi)真空度降低，氣泡在高壓條件下迅速潰滅，平均氣體體積分數(shù)呈下降趨勢，直到最后空化氣體全部溶于油液中，這時配流口處空化現(xiàn)象消失，單個周期內(nèi)空化時間約占15%左右。

2.2泵腔內(nèi)部空化氣體分析

泵腔是整個配流系統(tǒng)的工作容腔，其中壓力反復變化，易出現(xiàn)空化氣體，因此在仿真中，同樣利用監(jiān)測氣體體積分數(shù)的方法來研究泵腔內(nèi)空化氣體的分布及變化情況[19-20]。

在第1工作周期0.011～0.016 s的時間范圍內(nèi)，泵腔內(nèi)空化氣體體積分布云圖如圖4所示。其中，t為工作時間，θ為轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)角。由圖4可以看出，在周期開始階段，隨著柱塞上移，氣體體積分數(shù)逐漸增大，說明空化程度在增加，明顯的是通流區(qū)域邊緣氣體含量普遍較高，且梯度較大，其他區(qū)域氣體含量則較低，且均勻。隨著吸油過程的繼續(xù)進行，泵腔后部及通流中心區(qū)域氣體逐漸溶解，氣體體積分數(shù)接近于0，而空化氣體則主要集中在泵腔靠近配流口方向的前半部分。隨著通流面積逐漸增大及吸油過程穩(wěn)定后，泵腔內(nèi)空化氣體會逐漸消失。

泵腔內(nèi)平均氣體體積分數(shù)如圖5所示，由圖5可以看出，吸油起始時，泵腔內(nèi)真空度較大，壓力極低，空化氣體大量產(chǎn)生并迅速增加，而隨著配流口通流面積的增大，油液吸入量逐漸增加，泵腔內(nèi)壓力穩(wěn)定上升，空化氣泡開始潰滅，同時泵腔內(nèi)容積隨柱塞移動不斷增大，平均氣體體積分數(shù)不斷下降，直到最后空化氣泡全部溶于油液中，平均氣體體積分數(shù)降為0。泵腔內(nèi)空化持續(xù)時間約占單個工作周期的20%左右。

對比圖3和圖5可以看出，配流口內(nèi)平均氣體體積分數(shù)整體小于泵腔;最大體積分數(shù)出現(xiàn)時間較早，整個空化過程持續(xù)時間短;配流系統(tǒng)工作過程中配流口內(nèi)空化程度小于泵腔。這是由于配流口介于泵腔與吸油腔之間，開始吸油時其內(nèi)部真空度受泵腔影響并隨之變化，吸油過程中配流口與進油腔直接接通，相比于泵腔而言首先受到吸入油液的影響，導致配流口內(nèi)壓力最先上升，對空化現(xiàn)象起到抑制作用，因而其整體空化程度相對較弱，且空化時長小于泵腔。

2.3渦流對氣體體積分數(shù)的影響

仿真發(fā)現(xiàn)，渦流現(xiàn)象也是導致吸油起始階段氣體體積分數(shù)劇增的一個重要原因，當時間為0.024 s時，柱塞泵工作在吸油初始階段，配流口和泵腔速度矢量俯視圖如圖6所示，配流口和泵腔速度矢量側(cè)視圖如圖7所示。由圖6和圖7可以看出，配流口和泵腔連接處產(chǎn)生了渦流，而且泵腔內(nèi)的渦流現(xiàn)象更加劇烈;當時間為0.06 s時，柱塞泵工作在吸油階段和排油階段之間的穩(wěn)定階段，配流口和泵腔速度矢量俯視圖如圖8所示，配流口和泵腔速度矢量側(cè)視圖如圖9所示。由于泵腔內(nèi)渦流現(xiàn)象更劇烈，故泵腔內(nèi)平均氣體體積分數(shù)峰值比配流口處高出近1倍。

由圖6～圖9可以看出，吸油初始階段，泵腔和配流口都有渦流產(chǎn)生，而且泵腔內(nèi)的渦流現(xiàn)象尤其明顯;而穩(wěn)定階段的流質(zhì)則具有流動速度小、速度平均、無明顯集中方向的特點。可以認為氣體體積分數(shù)高，反映了空化現(xiàn)象較強，結(jié)合不同階段速度矢量圖的結(jié)果，說明渦流會引發(fā)空化現(xiàn)象，這與渦流中心區(qū)的壓力降低有直接關(guān)系，壓力降低到臨界空化壓力值以下便會引發(fā)空化現(xiàn)象。

3結(jié)束語

本文主要對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)進行流體動力學仿真分析，著重關(guān)注配流口和泵腔處的空化特性表現(xiàn)。設定流動介質(zhì)為油液，通過監(jiān)測局部氣體體積分數(shù)曲線圖，判斷出各處的空化反應發(fā)生程度，又通過觀察氣體體積分布云圖，立體地了解空化氣體的位置分布。研究結(jié)果表明，泵腔中的空化現(xiàn)象從產(chǎn)生氣體相對量、持續(xù)時間和氣體產(chǎn)生速度方面分析，其劇烈程度都比配流口更高，而空化氣泡的產(chǎn)生對系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、可靠性以及工作效率的影響都會比較大。對比泵腔吸油開始階段配流口和泵腔的速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，泵腔中的渦流現(xiàn)象非常明顯，具有覆蓋面積大、入口流速高、渦流方向單一的特點，渦流產(chǎn)生時會降低局部壓力，壓力降低又是空化氣泡產(chǎn)生的催化條件，這也解釋了為什么泵腔內(nèi)的空化現(xiàn)象會比配流口處更劇烈。該研究為后期系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的方向及依據(jù)。

參考文獻：

[1]張洪信， 程聯(lián)軍， 張鐵柱， 等. 往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理[J]. 流體機械， 2015， 43（8）： 48-51.

[2]徐威. 往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)性能仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]. 青島： 青島大學， 2016.

[3]徐威， 張洪信， 張鐵柱， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)凸輪槽型線及其運動學特性研究[J]. 機械強度， 2017， 39（4）： 882-886.

[4]張延君， 張洪信， 趙清海， 等. 往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)泵腔流場仿真研究[J]. 液壓與氣動， 2016（11）： 31-35.

[5]張延君. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)工作性能仿真研究[D]. 青島： 青島大學， 2018.

[6]張延君， 張洪信， 趙清海， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)U型減振槽結(jié)構(gòu)及其對流場影響[J]. 機械制造與自動化， 2019， 48（1）： 11-14.

[7]張延君， 張洪信， 趙清海， 等. 基于湍動能的轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)流場特性分析[J]. 青島大學學報： 工程技術(shù)版， 2018， 33（4）： 93-97.

[8]張延君， 張洪信， 趙清海， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)閉死角對工作脈動的影響研究[J]. 青島大學學報： 工程技術(shù)版， 2018， 33（1）： 102-106.

[9]張延君， 張洪信， 趙清海， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)三角減振槽結(jié)構(gòu)及其對流場影響[J]. 機械科學與技術(shù)， 2018， 37（6）： 834-838.

[10]張延君， 張洪信， 趙清海， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)配流口結(jié)構(gòu)及對工作脈動的影響[J]. 流體機械， 2017， 45（11）： 52-57.

[11]姜曉天， 張洪信， 趙清海， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)U型減振槽結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化[J]. 機械科學與技術(shù)， 2019， 38（1）： 23-29.

[12]程前昌， 張洪信， 趙清海， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)與閥式配流系統(tǒng)性能對比研究[J]. 機械制造與自動化， 2019， 48（2）： 29-32.

[13]程前昌， 張洪信， 趙清海， 等. 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)凸輪槽型線及其運動學特性再研究[J].機械強度， 2019， 49（3）： 23-34.

[14]Singhal A K， Athavale M M， Li H， et al. Mathematical basis and validation of the full cavitation model[J]. Journal of Fluids Engineering， 2002， 124（3）： 617-624.

[15]Kadivar E， Kadivar E， Javadi K， et al. The investigation of natural super-cavitation flow behind three-dimensional cavitators： Full cavitation model[J]. Applied Mathematical Modelling， 2017， 45： 165-178.

[16]Niedzwiedzka A， Schnerr G H， Sobieski W， et al. Review of numerical models of cavitating flows with the use of the homogeneous approach[J]. Archives of Thermodynamics， 2016， 37（2）： 71-88.

[17]Keller A P， Rott H K. The effect of flow turbulence on cavitation inception[C]∥ASME FED Meeting. Vancouver， Canada： ASME， 1997.

[18]Stoffel B， Schuller W. Investigations concerning the influence of pressure distribution and cavity length on the hydrodynamic cavitation intensity[C]∥ASME Fluids Engng Conference Hilton Head， Island： ASME， 1995： 51-58.

[19]Singhal A K， Vaidya N， Leonard A D. Multi-dimensional simulation of cavitating flows using a PDF model for phase change[C]∥ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting. Vancouver， Canada： ASME， 1997.

[20]Reisman G， Duttweiler， Brennen C. Effect of air injection on the cloud cavitation of a hydrofoil[C]∥ASME Asme Fluids Engineering Division Summer? Meeting. Vancouver， Canada： ASME， 1997.

Comparative Analysis of Cavitation Characteristics Between Distribution Port and Pump Chamber in Rotary Sleeve Distribution System

SUN Zehao， ZHANG Hongxin， ZHAO Qinghai， JIANG Xiaotian

（Power Integration and Energy Storage System Engineering Technology Center of Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：In the distribution system， cavitation has an important influence on the system's working efficiency， working noise and working life. The pump chamber and the distribution port are the main places where the working medium of the rotary sleeve distribution system changes and the pressure changes frequently， so cavitation is easy to occur here. The purpose of this paper is to compare the difference between the cavitation characteristics of the distribution port and the pump chamber and explore the reasons. Fluent was used for fluid dynamics simulation calculation of the system， and Singhal cavitation theoretical model was adopted. The cavitation gas volume distribution cloud diagram， the average gas volume fraction curve and the velocity vector diagram were compared under the same speed， the same inlet pressure and the same load pressure. The results show that the average gas volume fraction in the distribution port is smaller than that in the pump chamber， and the maximum volume fraction appears earlier and the whole cavitation process lasts shorter. In addition， vortex will appear in the distribution port and pump chamber， and the cavitation phenomenon will be more serious as the vortex intensifies. The above description shows that the degree of cavitation in the distribution port as the connection between two different pressure fields is not as severe as in the low pressure region. One of the reasons is that the high pressure region will suppress the cavitation phenomenon. This research provides a theoretical basis for the optimization of the later system structure.

Key words：rotary sleeve distribution system; cavitation; average gas volume fraction; Fluent Simulation

收稿日期： 2019-10-21; 修回日期： 2019-11-18

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（51575286）

作者簡介： 孫澤豪（1996-），男，碩士研究生，主要研究方向為車輛新型動力傳動技術(shù)及其電子化。

通信作者： 張洪信（1969-），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為車輛新型動力傳動技術(shù)。Email： qduzhx@126.com