航空過濾器壓力脈動衰減抑制機理分析

2024-03-07 01:38:26趙龍超張遨翔張乾瑞

液壓與氣動 2024年1期

趙龍超, 張遨翔, 姚靜,3, 楊帥, 張乾瑞

(1.燕山大學機械工程學院, 河北秦皇島 066004; 2.新鄉航空工業(集團)有限公司, 河南新鄉 453002;3.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室, 河北秦皇島 066004)

引言

應急放能源系統是當飛機液壓系統失效時用于飛機起落架收放的應急動力單元,是保證飛機運行安全的重要組件;但是該系統存在壓力脈動大、系統不穩定等問題,在泵源后加入軟管及油濾后系統壓力脈動幅值大幅衰減,大大提高了系統的運行安全性能,本研究針對某型過濾器壓力脈動衰減抑制機理及關鍵參數進行了分析。

過濾器相當于被動式脈動衰減器,被動式脈動衰減器可分為三大類[1]:吸收式、反射式及復合式脈動衰減器。吸收式脈動衰減器主要利用軟管、蓄能器或彈性材料的變形來達到衰減的目的[2-3],一般具有良好的低頻脈動衰減效果。反射式脈動衰減器主要利用腔體來衰減脈動,其衰減原理是:橫截面積不連續使得管道內傳播的壓力波產生阻抗失配,從而導致部分壓力波反射回壓力源或在衰減器內部來回反射,阻礙了壓力波能量向下傳播,一般具有良好的高頻脈動衰減效果[4-7],常見的有Herschel-Quinck管、擴張室壓力脈動衰減器和Helmholtz諧振器[8]。復合式脈動衰減器結合吸收式和反射式脈動衰減器各自的特點,將兩者組合在一起從而獲得從低頻到高頻的良好衰減效果。根據過濾器腔體結構特征確定為擴張室型脈動衰減器。

關于擴張室型脈動衰減器很多學者已經做了很多研究,王巖等[9]對擴張室壓力脈動衰減器的研究現狀做了總結,重點介紹了頻域法、時域法、計算流體動力學分析法等研究方法,并認為會在結構優化改進、集成化、智能化等方面發展;楊帆等[10-12]利用老化的聚氨酯柔性襯里安裝在擴張室內部,組合成復合式脈動衰減器,顯著改善了脈動衰減器的插入損失;袁軍等[13]將擴張室內部分為多個區域,多個不同的腔體組合形成一種復合式廣譜液壓脈動衰減器,通過參數設計實現對多個頻段的脈動衰減。

但對于過濾器形式的擴張室型脈動衰減器相關研究還較少,本研究結合過濾器的特征,利用仿真與實驗相結合的手段,驗證過濾器脈動衰減原理,并利用仿真得到過濾器腔體直徑、腔體長度、入口直徑、出口直徑為影響過濾器傳遞損失的關鍵參數,為小流量液壓系統過濾器設計提供了新的思路。

1 過濾器系統介紹

應急放能源系統是當飛機液壓系統失效時用于飛機起落架收放的應急動力單元,其應急電力通過電動泵后連接軟管及過濾器后進入系統,負責控制飛機起落架的下放。圖1為過濾器結構示意圖。整體結構主要由上下兩部分通過螺紋連接組合而成,濾芯被固定在中間。入口流道直徑為4 mm,出口流道直徑為10 mm,腔體直徑36 mm。

圖1 過濾器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of filter structure

2 過濾器壓力脈動衰減性能計算方法

2.1 壓力聲學波動方程

過濾器簡化幾何模型如圖2所示,忽略一些細節結構進行理論分析,過濾器濾芯看做多孔介質,內部穿孔板看做穿孔壁面,整體回流腔由入口、出口、腔體部分組成,由壓力聲學計算方法[14-15]進行分析。

圖2 簡化過濾器系統結構圖Fig.2 Simplified filter system structure diagram

聲學方程來源于流體方程,即質量守恒方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

以及本構關系方程:

ρ=ρ(p,T)

(4)

式中,ρ—— 流體密度

u—— 流體速度

F—— 體積力

σ—— 總應力

τ—— 切應力

T—— 溫度

Cp—— 比熱

α0—— 熱擴散率

q=-K▽T

(5)

(6)

式中,q—— 熱通量

K—— 熱傳導率

p—— 壓力

μ—— 黏度

I—— 偏導數符號

不考慮熱力學效應,有如下方程:

(7)

p0=Rρ0T

(8)

可得:

(9)

式中,γ—— 無量綱常數

R —— 摩爾氣體常數

c—— 聲速

忽略黏性損耗,將式(9)代入式(1)中消去ρ,然后對時間進行微分,再對式(2)取散度,二者相減得到時域下的聲學方程為:

(10)

轉化到頻域下的壓力聲學方程為:

(11)

式中,ω為壓力波角頻率。這是一個波動方程,在頻域上為線性,假設所有激勵和響應是時諧的,計算穩態解時計算效率較高。

2.2 多孔介質區域

濾芯是一種金屬纖維燒結氈材料,采用直徑為微米級的金屬纖維,經無紡鋪制、疊配及高溫燒結而成。多層金屬纖維氈由不同孔徑層形成孔梯度,可控制得到極高的過濾精度和較單層氈更大的納污量。

金屬纖維燒結氈屬于多孔金屬材料,多孔金屬的吸聲機理總結起來主要分為黏滯效應和溫度效應。壓力波在流體介質中傳播時,介質中相鄰質點運動速率不同,產生相互的摩擦力,即黏滯力,阻礙質點的運動。因此壓力波在流體中傳播受黏滯力影響,聲能轉換成熱能消耗掉。此外,壓力波通過流體時會引起介質的體積的變化,從而帶來溫度的改變,相鄰區域內產生的溫度差會讓一部分能量流向低溫區域介質中,產生熱量交換,從而使聲能以熱量形式消耗。吸聲機理如圖3所示。

Delany-Bazley模型是基于實驗結果的經驗模型[14],模型中推導出了兩個重要的參量,即纖維多孔金屬的特征阻抗和等效波數。用Delany-Bazley模型計算多層材料的吸聲時,材料的表面阻抗在低頻處出現了負值,修正后的Delany-Bazley-Miki模型在低頻處更加準確,在與Delany-Bazley模型相同的邊界條件下得到了較好改善:

(12)

(13)

式中,ζc—— 特征阻抗

k—— 等效波數

f—— 壓力波頻率

Rf—— 流阻率

2.3 穿孔板區域

聲學理論中穿孔元件是一種在管壁或板上穿有大量小孔的結構,在消聲器中被廣泛使用。在抗性消聲器中,使用穿孔元件的目的是為了降低流動阻力損失以及改善特定頻率范圍內的消聲性能。

在阻性消聲器中,使用穿孔元件用來保護吸聲材料以免被氣流吹出。為了計算含有穿孔元件消聲器的聲學性能,首先需要確定穿孔聲阻抗。穿孔聲阻抗是穿孔消聲器聲學性能計算中極其重要的一個參數。由于消聲器中使用的穿孔管和穿孔板一般是多孔薄壁結構,解析描述每個孔內的聲傳播以及孔間的相互作用是非常困難,甚至是不現實的,因此在消聲器聲學性能計算中通常使用穿孔聲阻抗來表示穿孔元件的聲學特性。穿孔聲阻抗是一些物理變量的復雜函數,包括穿孔率、孔徑、壁厚、孔內平均流速等,同時其也是頻率的函數。由于穿孔聲阻抗的解析表達式很難獲得,人們采取了各種方法測量或計算穿孔聲阻抗,并得到了一些經驗公式,該理論同樣適用于流體介質[15]。

穿孔聲阻抗定義為穿孔元件兩側的聲壓之差與質點振速之比,即:

(14)

式中,ζp—— 穿孔阻抗

穿孔聲阻抗率則為:

(15)

式中,j—— 虛數單位

Rp—— 穿孔聲阻率

Xp—— 穿孔聲抗率

(16)

(17)

式中,μ—— 動力黏度

tw—— 穿孔板厚度

dh—— 孔的直徑

ζ0—— 介質特性阻抗

k—— 波數

α—— 端部修正系數

Φ—— 穿孔率

2.4 邊界條件

在液壓油流體域Va內,過濾器邊界條件可以如下表示:

(1) 在進口邊界上,設法向速度為已知,即:

(18)

(2) 在出口邊界上,設法向阻抗為已知,即:

pa/una=ρacaζout

(19)

(3) 在剛性壁面上,法向速度為0,即:

una=0

(20)

(4) 在穿孔壁面上,兩側的壓力差與法向質點速度間的關系可以表示為:

(pa-pb)/una=ρacaζp

(21)

式中,ρa—— 液壓油密度

ca—— 液壓油中聲速

ζp—— 穿孔阻抗

ζout—— 出口阻抗

在多孔介質流體域Vb內,相應的邊界條件為:

(1) 在剛性壁面上,法向速度為0,即:

una=0

(22)

(2) 在穿孔壁面上,兩側的壓力差與法向速度間的關系用式(19)來表示。考慮到穿孔兩側的法向速度連續,于是有:

(pb-pa)/unb=ρacaζp

(23)

2.5 傳遞損失計算

(24)

其中,pin,uin,pout,uout分別為進出口面上的平均壓力和速度。

為了求得過濾器的四極參數,首先設定出口面上的速度為0,求出T11和T21;然后令出口面上的壓力為0,求出T12和T22。即:

(25)

(26)

(27)

(28)

將獲得的四極參數代入即可計算出過濾器的傳遞損失:

(29)

3 過濾器有限元仿真

Comsol Multiphysics 6.0是一個多物理場仿真建模工具,內置豐富的預置多理場建模接口,靈活的通用數學接口,與第三方軟件同步鏈接,并具備開發工具如模型開發器、物理場開發器、App開發器等,在壓力波聲學領域有較高的計算精度,故本次仿真采用此軟件。

3.1 Comsol模型的建立

過濾器仿真模型主要由腔體、濾芯、穿孔板等組件組成,濾芯采用多孔介質模型,流體域劃分為兩部分,一部分為液壓油,另一部分為多孔介質,如圖4所示進行區域劃分,相關仿真參數如表1所示。

表1 過濾器仿真參數設置Tab.1 Filter simulation parameter setting

圖4 過濾器整體仿真模型Fig.4 Filter overall simulation model

3.2 仿真結果分析

1) 過濾器各組件傳遞損失影響分析

應急放能源系統液壓泵為9柱塞定量泵,轉速為7600 r/min,泵源脈動頻率經計算為1140 Hz,由圖5可知,在目標頻段(1140 Hz及以下)部分,過濾器腔體為傳遞損失主要影響因素,濾芯及穿孔板影響較小,在5000～7000 Hz高頻處濾芯作用較為明顯。在1140 Hz處,過濾器整體傳遞損失為18.8 dB,而對于低頻處,傳遞損失較小,表現為低通濾波特性。

圖5 過濾器各組件傳遞損失圖Fig.5 Transmission loss diagram of filter

2) 過濾器各參數對傳遞損失影響分析

由表2和圖6可得,影響過濾器傳遞損失的主要參數為腔體直徑、腔體長度、入口直徑、出口直徑,濾芯不同流阻對過濾器傳遞損失影響較小, 此處流阻1相當于108Pa·s/m3。腔體直徑越大,出入口直徑越小,過濾器傳遞損失越大;過濾器腔體直徑、入口直徑、出口直徑影響的是出入口的面積比的變化,這也是傳遞損失改變的原因。腔體長度越長,過濾器傳遞損失越大; 過濾器腔體長度會影響脈動壓力波反射的相位疊加,進而影響脈動最佳衰減頻率,根據回流腔理論分析可知,回流腔長度為波長的1/4時達到最佳衰減頻率,所以改變腔體長度會影響最佳衰減頻率。

表2 液壓泵脈動頻率(1140 Hz)過濾器傳遞損失Tab.2 Hydraulic pump pulse frequency (1140 Hz) filter transmission loss

圖6 濾芯不同參數下過濾器傳遞損失Fig.6 Transfer loss under different parameters

4 過濾器壓力脈動衰減實驗

過濾器壓力脈動測試實驗所用設備如下:電動泵額定轉速7600 r/min,恒壓變量泵額定流量為5 L/min,驅動供電電壓115 V三相交流電,400 Hz恒頻,泵額定輸出壓力21±0.5 MPa,全流量壓力不小于19.6 MPa;油濾過濾精度5 μm;壓力脈動傳感器為HELM漢姆HM90,采樣速率為每秒10000個數據點;采集設備為NI板卡,采樣速率為每秒25000個數據點。工作介質為滿足GJB 1177A—2013的15號航空液壓油,工作時溫度范圍為-55～135 ℃。

實驗測試時系統壓力設定為21 MPa,系統中的流量為5 L/min,過濾器腔體直徑36 mm、腔體長度100 mm、入口直徑4 mm、出口直徑10 mm。在該工況下,柱塞泵產生的壓力脈動通過軟管、過濾器到節流閥,如圖7所示。測試泵出口、軟管后、油濾后的壓力脈動。測得壓力脈動曲線如圖8所示。液壓泵脈動頻率理論計算為1140 Hz,實際測試為1195 Hz,誤差在5%范圍內,壓力測試頻譜如圖9所示。

1.電動泵 2.安全閥 3.軟管 4.過濾器 5.節流閥

圖8 壓力脈動測試結果圖Fig.8 Pressure pulsation test result diagram

圖9 壓力脈動測試頻譜圖Fig.9 Pressure fluctuation test spectrum

從表3和圖8、圖9中可以看出,在經過過濾器后脈動頻率從1195 Hz減小到400 Hz,主要原因為1195 Hz頻率成分被大幅衰減,與仿真結果一致,脈動幅值在經過軟管和過濾器后均有衰減,軟管后的脈動衰減率為48%,過濾器后的脈動衰減率為72%。過濾器有良好的壓力脈動衰減效果。

表3 過濾器壓力脈動衰減結果Tab.3 Filter pressure pulsation attenuation result

更換不同腔體直徑(36, 46, 56 mm)做對比實驗,測量點為油濾后,結果如圖10所示。從表4及圖11中可以看出,腔體直徑從36 mm到46 mm及56 mm后,1195 Hz的脈動頻率進一步被衰減,脈動大小從20.88±0.15 MPa衰減至20.85±0.10 MPa、20.82±0.08 MPa,衰減幅度分別為33%和46%,而400 Hz的脈動頻率幅值基本保持一致,與仿真結果一致,并且隨著直徑的進一步增大,脈動衰減削弱趨勢減小。