柔性軟管在壓力流體作用下的流場研究

周 樂，崔昭霞，蘇加光，范文娟

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特 010062）

0 引言

軟管具有一定的變形量，相對于金屬材料，在對中要求高的應用場合有著無可比擬的優越性。在輸送壓力流體的過程中，柔性軟管內部受到的流體壓力將逐步累積升高，軟管會發生變形，其變形程度受到其內部流體流場分布的影響。上海飛機研究所研究了液壓軟管彎曲半徑對軟管承壓能力的影響［1］。當軟管承受內壓作用以后，管內產生徑向力能夠引起軟管沿著母線方向斷裂，產生的軸向力能引起軟管沿著橫截面方向斷裂，因此本文基于流體力學軟件Fluent，對一種抗化學軟管進行了管路內部壓力脈動仿真分析，為軟管在澆注、輸送等方面的應用奠定一定的理論基礎。

1 柔性軟管的性能及連接方式

影響柔性軟管工作性能的兩個重要因素是材料和接頭結構。本文所分析的軟管是一種抗化學軟管，內徑為76mm，具有耐壓、耐油、耐溫等特性，而且能通過內置金屬絲導靜電，其材質EY的性能如表1所示。工作時，帶有一定壓力的流體通過軟管，軟管的兩端分別通過兩道安全喉箍與法蘭接頭連接，如圖1 所示。

表1 軟管材質EY的性能

2 軟管拉伸試驗

通過對軟管進行靜態拉伸試驗，得出軟管在承受軸向載荷時其軸向變形情況，以及軟管與法蘭接頭的軸向極限脫出力；然后根據軟管的尺寸，計算出軟管在極限脫出力范圍內的理論承壓能力，為后續分析計算提供合理的受力條件。

圖1 彎管結構

2.1 試驗過程

截取一定長度的軟管，用快速連接抱箍將軟管兩端分別與帶倒刺結構的軟管接頭連接，一端懸掛于天車吊鉤上，另一端連接裝砝碼吊鉤，通過逐步添加砝碼，測出軟管長度變化與所加砝碼重量之間的關系。

2.2 試驗結果

通過現場逐漸加載，測量得到相應載荷下軟管的長度，試驗數據如表2所示，軟管伸長量隨載荷的變化曲線如圖2 所示。

2.3 試驗數據處理

根據軟管試驗數據，得出此結構所能承受的極限軸向脫出力為1 900N。軟管承受極限軸向脫出力時軟管內壁所受的壓強p（Pa）［2］為：其中：F為軟管所受軸向脫出力，F＝1 900N；S為軟管徑向截面積，m2。

S的計算公式為：

其中：R為軟管半徑。對于3″軟管，其半徑為38mm，由式（1）和式（2）計算可得p＝0.45MPa，即軟管可承受0.45MPa的壓強。

表2 柔性軟管長度隨加載配重變化情況

圖2 軟管伸長量變化曲線

3 流體力學軟件分析

以管路系統內部流場為研究對象，采用三維CFD軟件Fluent計算分析流體沿管路的流動情況，得出管路壁面的壓力值及管路內部速度云圖。

3.1 計算模型

根據實際使用情況，利用SolidWorks分別建立了初始長度下和加壓變形后軟管的三維模型［3］，見圖3 ，并將文件保存為＊.step格式。

圖3 柔性軟管三維實體圖

3.2 網格劃分

網格單元類型的選擇關系到計算的精度和計算效率，采用CFD軟件，結構的網格數量少，單元變形特性好，并且可以很好地控制流向性分布及邊界層方向的正交性，具有其他網格無法比擬的優勢［4］，初始流體模型和加壓變形后流體模型的網格圖如圖4 所示。

圖4 柔性軟管模型網格圖

3.3 計算方法

對軟管進行實體建模，采用Fluent軟件分析軟管內部流體的流動情況，結合靜態拉伸試驗結果，設置邊界條件如下：①流量進口，速度為0.1m／s；②自由流射出口；③流體密度為1.225kg／m；④軟管內徑為Φ76mm；⑤入口壓強為0.36MPa（可承受的壓強為p＝0.45MPa，安全系數為1.25）。

3.4 軟管的壓力場分析

利用Fluent 3D求解器對軟管內部的流動區域進行求解，基于上述參數進行分析計算［5］分別求出初始狀態和加壓變形后的動態壓力云圖，如圖5 所示。

圖5 彎管流體壓力云圖

通過壓力云圖5 ，可以得到以下結論：①不論是初始狀態還是加壓變形后，軟管的入口段處壓力明顯較大；②從圖5 （b）可以看出，在澆注完成以后，管內充滿流體，壓力從進口端逐漸向軟管中間傳遞，壓力在流體內部出現顯著變大現象，在出口端，隨著壓力傳遞的損失，壓力逐漸減??；③彎曲軟管內部壓力從入口端面到出口端面呈階梯狀依次變化，這種壓力梯度有利于流體在腔內流動，從而達到消減壓力脈動的效果，這與文獻［5］得出的結論一致。軟管各段的壓力值見表3。

表3 初始狀態和加壓變形后軟管各段流體的壓力

從表3中我們可以看出，在軟管彎曲處，流體內部壓力變化較大，其壓力值高于進口端和出口端，在軟管出口端，管壁趨于直段，因此流體壓力和流速都沒有顯著的變化。

3.5 軟管的速度場分析

在進口流體速度0.1m／s、出口為自由射流的工況下，澆注軟管管路中流體的速度云圖如圖6 所示。

通過圖6 可以得到以下的結論：①澆注的過程中，在軟管進口端會出現速度顯著增大現象，在軟管中間部分會由于管壁的彎曲導致流體速度的損失；②在澆注完成以后，管內充滿流體，速度從進口端逐漸向軟管中間傳遞，流體外部靠近管壁部分由于管壁的摩擦以及軟管彎曲的影響其速度小于中間流體的速度，這與文獻［6］得出的結論一致。

4 改變內徑后的軟管分析

根據式（1）和式（2）可知，當軟管的半徑R減小以后，其承壓能力會有所提高，之前我們分析的軟管直徑為Φ76mm，現在將軟管直徑改為Φ50mm，其他參數均保持不變，通過建模、劃分網格、參數設定，經Fluent軟件分析得到加壓后流體的壓力云圖和速度云圖如圖7 所示。根據分析結果，可以得出Φ50mm軟管各處流體的壓力和速度，如表4所示。

圖6 柔性軟管速度變化云圖

圖7 軟管直徑Φ50mm時加壓后流體的壓力和速度云圖

表4中的數值顯示，把軟管直徑改小到Φ50mm以后，在對應進口處、彎曲處和出口處的壓力變化值均小于Φ76mm軟管的參數值，因此在承壓使用的情況下應盡量選用直徑較小的軟管。

表4 Φ50mm軟管各處流體的壓力和速度參數

5 結論

通過對軟管連接接頭承載能力的實驗，結合理論分析和Fluent軟件的流場分析得出，在軟管使用的過程中，壓力變化集中在軟管彎曲部分，因此要充分考慮軟管的伸縮性以及工作壓力等因素，使用時盡量選用直徑較小的軟管，其性能要優于直徑較大的軟管。

［1］朱號鋒.液壓軟管彎曲半徑對軟管承壓能力的影響［J］.液壓工業，1990（3）：20-21.

［2］王鐸，趙經文.理論力學［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］魏崢，王一惠.SolidWorks 2008基礎教程與上機指導［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［4］張振講.船舶CFD網格自動生成技術的開發及其控制研究［J］.噪聲與振動控制，2004（2）：31-33.

［5］李進良.FLUENT6.3流場分布［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［6］白照高.魚雷海水管路的流體力學分析［J］.船舶科學技術，2012，34（3）：32-35.