二維活塞/缸體副微間隙高剪切流場中空泡“消失”現象的實驗分析

李星星, 王敬成, 章立超, 丁 川

(1.浙江工業大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江工業大學 理學院, 浙江 杭州 310023)

引言

液壓元件中的空化現象是限制液壓元件性能的一個重要因素[1]。丁川等[2]提出的二維活塞泵和二維活塞流量計等二維液壓元件均采用二維活塞結構以適應高轉速工況的需要。因此,這類二維液壓元件需要面臨在高轉速工況下,二維活塞與缸體間的微小間隙中油液受到強剪切而引發空化現象所致的一系列影響元件性能和使用壽命的問題。在過去的研究中,采用實驗法去歸納分析二維活塞結構參數及剪切流場物理邊界條件對產生空化現象的影響[2]。隨著研究的進一步展開,發現二維活塞/缸體副微間隙高剪切流場不變條件地長時間持續剪切,會使得已產生的空化氣泡“消失”。如果這個現象切實存在,且能通過研究確定物理實現的機理,則對解決液壓元件中所面臨的空化問題提供了一種新的思路, 對提升設備穩定性和工業發展具有重大意義。因此,對二維活塞/缸體副微間隙高剪切流場中空泡“消失”現象開展了研究。

空化是指液體內局部壓強低于臨界值時氣泡的初生、發展、潰滅以及回彈的動態過程。早期,William等[3]采用穩定流速和逐漸升高系統壓力的實驗方法研究空化消失現象,認為空化消失的隨機性要比空化初生的小,且其滯后時間隨著系統的流速、模型體的尺寸、液體的氣體溶解度等的增大而減小。隨著研究的進一步發展,空化消失現象通常主要可分為空化氣泡潰滅、氣泡溶解或氣液二相傳質3種類型。氣泡潰滅是由于流體具有流動性,空化后的氣泡難以保持其形狀,被周圍的流體擠壓后收縮直至消失[4]。氣泡潰滅首先用氣泡動力學模型描述。Rayleigh提出用球形氣泡模型來描述單個氣泡在無黏流動中的生長和潰滅。Plesset擴展了Rayleigh的理論,考慮了黏性力和表面張力的影響[5-7]。兩人共同構建的Rayleigh-Plesset方程已被廣泛應用于氣泡動力現象的研究中。Brennen等[8]對上述的球形氣泡理論進行了總結,并給出了氣泡潰滅時間的解析解等一些特征。隨著計算機技術的進步,大量科研人員采用數值計算的方法對氣泡的生長與潰滅進行研究,如Brujan等[9]采用邊界積分法(BIM)數值研究了單個氣泡潰滅的最后階段;Tian等[10]采用移動粒子半隱式方法(MPS)模擬了二維軸對稱空泡的潰滅;Zhang等[11]采用三維模型數值研究了潰滅空泡的強不穩定射流沖擊及回彈過程等[12]。

氣泡溶解過程從現象上表現出氣泡體積連續減小,即通常所稱的“塌陷”過程[13]。氣泡溶解實質是一個質量擴散過程,這一質量擴散過程受質量傳遞和動量傳遞兩方面控制[13]。最早涉及氣泡在黏彈性液體塌陷的是Fogler等[14],從理論上分析了在無限量的線性Maxwell二型模型的黏彈液體中的一個球形氣泡的塌陷過程。Tanasama等[15]使用一個Old Royd三常數的黏彈模型研究了氣泡在黏彈液體中的塌陷行為,通過考慮氣泡內氣體熱力學行為,觀察到在絕熱條件下氣泡塌陷比在等溫情況下要快;Zana等[16]使用一個牛頓型流體和一個改進的Old Royd模型的黏彈流體,對球形氣泡在無限量介質中的擴散控制的溶解進行了研究;Yoo等[17]使用了Zaremba-DeWitt模型在考慮了流動力學和擴散基礎上研究了氣泡在黏彈性液體中長大或塌陷過程的振蕩行為。

氣液二相傳質是指在氣體和液體的混合物中,兩種不同物質之間通過擴散等方式進行的質量轉移過程?，F代的擴散概念主要來源于Fick兩大定律[18]。在工程應用中,擴散常常被認為與溫度存在較強的關系,一般使用Arrhenius方程予以確定,其中Wilke-Chang經驗公式給出了低濃度下的擴散系數與溶劑黏度以及溫度的關系[19]。對于液壓油而言,空氣在液壓油中的溶解度和擴散系數的研究較少。國外有Tellus12的空氣溶解度報道,國內有郭關柱等[20]對于32#抗磨液壓油的空氣溶解度測量數據,以及DING Chuan等[21]對于空氣在液壓油中的擴散系數與溫度及黏度關系的實驗和理論探討。

上述空化消失現象的研究內容涵蓋了三大主要可能方向的理論建模、數值仿真、實驗分析過程,為本研究的開展提供了理論支撐和實驗方法的指導。因此,將采用自制的純剪切流變裝置模擬二維活塞與缸體配合微間隙內流體的一維運動工況,分別就不同溫度、流場壓強和油液上方空氣占比等方面對強剪切場下液壓油中的空氣空泡“消失”現象展開研究。

1 實驗系統準備

實驗系統的組成原理以及其實物構造如圖1a和圖1b所示,同心圓筒裝置與下方閥塊固連,透明外圓筒在額定功率為1.2 kW的伺服電機(110ST-M04030)的動力輸出下旋轉,對微間隙內的流體介質產生剪切作用,在伺服電機的帶動下,外圓筒的最高旋轉速度可達2700 r/min;通過使用聯軸器連接伺服電機和同心圓筒裝置的扭矩傳感器(SL06-3AG)可實時采集同心圓筒裝置旋轉時的扭矩變化,傳感器的量程為0～3 N·m,測量精度為滿量程的0.2%;通過安裝在定子工作段外壁面附近的溫度傳感器(PT100)獲得不同時刻內部流場的瞬態溫度;在外圓筒內壁面的承壓范圍內,通過加壓泵加壓以及0.25級精度的MIK-P300壓強傳感器的監測,可在0～3 MPa范圍內調節同心圓筒裝置內流場的環境壓強;通過有機玻璃制成的透明外圓筒,在45號鋼制成的經過發黑處理的定子以及定位板的背景下,借助強光照明,通過相機錄像的方式捕獲到清晰的流場剪切空化圖像。

圖1 剪切流變實驗系統

如圖2所示為同心圓筒裝置內部的相關尺寸示意圖。在實驗過程中,通過微間隙為δ的工作腔流場來模擬二維活塞與缸體配合微間隙內的一維剪切流場,并研究上述影響因素對微間隙流場剪切空化消失現象的影響。此外,表1給出了同心圓筒裝置的相關參數。

表1 同心圓筒裝置相關參數

圖2 同心圓筒裝置相關尺寸圖

為避免油液初始含氣量對實驗結果的影響,本實驗通過將油液放置于恒溫環境,暴露于空氣中并靜置一定時間,使油液的初始含氣量處于平衡狀態;為避免油液初始溫度對實驗結果的影響,本實驗通過定子內置的溫度傳感器 PT100 的溫度監測,可確保其工作腔處的初始溫度在 24 ℃附近。為研究油溫對該剪切空化消失現象的影響,本實驗通過將上容腔空氣占比(空氣腔高度與上容腔高度L1之比)設為20%以及60%,以保持內部的常壓流場,并對其進行持續強剪切,分析油溫對剪切空化消失現象的影響;為研究流場壓強對該剪切空化消失現象的影響,本實驗通過加壓泵加壓裝置內流場壓強,對其進行持續強剪切,分析流場壓強對剪切空化消失現象的影響; 為研究配流槽結構對該剪切空化消失現象的影響,如圖3所示,相較于光滑內圓筒即定子A,按2D活塞設計等比例縮放加工出4個配流槽,即定子B,此外還加工了配流槽長度為定子B的40%的定子C,本實驗通過更換定子,進行有槽流場的持續強剪切,分析有槽對剪切空化消失現象的影響。

圖3 定子實物圖

2 實驗結果及數據分析

由先前研究一維運動流場的結論可知,外筒轉速越高,會使無槽流場剪切空化現象越發劇烈,但是在進行了單邊微間隙0.15 mm的無槽流場在常壓且外筒長時間保持2700 r/min的剪切空化實驗后發現:常壓恒定高轉速下,無槽流場的空化帶會隨著時間變化,最后消失。然而在更換大內徑的外圓筒使微間隙為0.45 mm,0.65 mm 后,無槽流場以及短槽流場均無法出現剪切空化現象,故后續將不提及微間隙大小對空泡消失的實驗影響。具體空化帶變化如圖4所示,剪切空化現象瞬間在無槽流場中部出現,且在旋轉20 s 時空化區間由中部向上下方擴散發展達到最大范圍,持續至60 s空化區間未發生明顯變化,隨后空化區間開始逐漸往無槽流場中部收縮,長條狀空泡逐漸縮短直至消失,且空泡消失速度隨時間越來越快,空化初生直至消失總過程歷時約325 s。

圖4 常壓2700 r/min無槽流場剪切空化消失過程

圖5為剪切過程中無槽流場溫度與壓強的變化,t表示剪切時間。其中溫度以對數形式增長,流場壓強變化趨勢與溫度大致相似,顯然無槽流場溫度變化對其內部壓強的持續升高有一定影響,當流場溫升值(即空化消失時流場溫度與初始流場溫度之差)為27.5 ℃且增壓值(即空化消失時流場壓強與初始流場壓強之差)為40 kPa時空化帶完全消失。

圖5 無槽流場相關參數變化

2.1 溫度對高速流場剪切空化“消失”現象的影響

為探究溫度對高速流場剪切空化“消失”現象的影響,保持高速剪切流場壓強恒定,對空氣占比20%及60%的無槽流場進行外筒2700 r/min持續剪切的空化實驗。不同于滿油狀態,上容腔留有空氣,油液持續剪切,無槽流場內的空泡并未完全消失,然而隨油溫上升,其空化區間仍有一定程度的縮小現象,如圖6所示。上容腔預留60%的空氣占比,流場空化在5 s后初生,并在20 s時基本達到其最大范圍,直至205 s其空化區間并未發生較為明顯的變化,而在205～512 s其空泡有一定程度的“溶解”,且盡管512 s時油液溫度已達到61 ℃,但其內部壓強變化不明顯,空化并未完全消失。顯然在常壓下,流場壓強的上升對無槽流場的剪切空化消失現象影響更顯著。

圖6 外筒2700 r/min空氣占比60%的無槽流場流態變化

2.2 壓強對高速流場剪切空化“消失”現象的影響

為探究不同壓強對高速流場剪切空化“消失”現象的影響,本實驗通過加壓泵對滿油狀態的同心圓筒裝置加壓,研究油液在常壓基礎下加壓30, 50, 80, 100, 150 kPa下的外筒2700 r/min的油液強剪切現象,實驗發現各壓強下流場內皆出現了剪切空化“消失”現象。實驗結果如表2所示。

表2 不同壓強無槽流場高速剪切空化消失相關參數

從壓強對無槽流場剪切空化影響的實驗結果可知,外筒旋轉速度2700 r/min 且對無槽流場加壓40 kPa時,其流場仍應出現剪切空化現象,故而常壓下外筒2700 r/min無槽流場剪切空化現象消失的過程中,46號液壓油的溫度變化起著重要作用。此外,如圖7所示,其中橫坐標表示初始流場壓強,無槽流場剪切空化消失時間會隨流場初始壓強的上升呈指數下降的趨勢,壓強越高剪切空化現象消失時的溫度越低,顯然壓強越高剪切空化程度越低,故而剪切空化現象消失越快。

圖7 無槽流場高速剪切空化消失

綜合上述實驗,可知在油液溫升和由油液溫升所帶來的流場壓強升高的共同作用下,無槽流場剪切空化所產生的空泡會存在消失的現象,且后者影響更顯著。常溫常壓下,46號液壓油的空氣溶解度一般為6%～12%,當油液系統的壓強及溫度變化時,油液中空氣的溶解度也會隨之發生改變。郭關柱等[21]通過自制的精密活塞式裝置,研究不同壓強和溫度下空氣在油液中本生溶解度的變化。當油液處于恒溫狀態下,空氣的氣體溶解度遵循亨利定律,其本生溶解度與壓強呈較好的線性關系,空氣在油液中的溶解度會隨系統壓強上升而上升;當油液處于恒壓狀態下,空氣在油液中的溶解度則會隨系統溫度的上升而下降,這可以解釋油壓升高所致的空泡消失,然而油液溫升所帶來的影響則需要從別的角度進行分析?？紤]到剪切空化的主應力判據與被剪切介質的黏度息息相關,分析認為,因為油液黏度隨溫度上升大幅下降,使得油液所受剪切應力不足所致。如圖8所示,各壓強下無槽流場空化消失時的剪切應力明顯小于其最終壓強下的臨界剪切應力。因此,初步推測油液溫升降低了油液黏度,同時降低了無槽流場所受到的剪切應力,使其達不到相應的剪切空化所需的主應力,故而造成部分空化消失的現象。對于無槽流場而言,常壓且加壓情況下外筒持續高轉速剪切油液,油溫上升使油液所受剪切應力下降,油壓上升使油液剪切空化所需剪切應力增加,兩者影響著空氣在油液中的本生溶解度,促使無槽流場剪切空化從有到無,出現空泡消失的現象。

圖8 不同壓強無槽流場臨界剪切應力以及高速空化消失剪切應力

2.3 定子有槽對高速流場剪切空化“消失”現象的影響

二維活塞通常帶有配流槽結構,為探究二維活塞外表面上配流槽結構對空泡消失的影響,在微間隙一定時,本實驗通過將定子A替換為定子B,研究配流槽對工作腔流場剪切空化“消失”現象的影響。然而,在實驗轉速范圍內,長槽流場常壓下均未發生剪切空化現象,故只討論短槽(定子C)流場下的空泡“消失”現象。

實驗發現空化消失現象在有槽流場同樣發生,且實驗結論一致,故有槽與否不影響該空化“消失”現象的發生,實驗現象如圖9所示。

圖9 外筒2700 r/min短槽流場持續剪切的流態變化

對比相同工況下無槽流場的剪切空化消失過程,有槽流場空化“消失”現象初生時間更短。經分析認為,造成上述差異的原因在于無槽流場和短槽流場的微間隙純剪切流場的軸向范圍不同。

從流場的壓強變化來看,如圖10b所示,短槽流場在持續高速剪切運動時,流場壓強最高上升約20 kPa,而無槽流場剪切空化現象消失時,其流場壓強上升約40 kPa,兩者數值相差2倍;實驗結果表明,在空化現象消失時,無槽流場的流場壓強變化比短槽流場更為明顯。經分析認為當空泡消失時,油液會填充空泡原本占據的位置,導致流場內部壓強增加。而在無槽流場中,由于沒有任何障礙物阻擋油液的運動,油液可以快速地填補空泡留下的位置,從而引起更大幅度的流場壓強變化。相比之下,在短槽流場中,空泡的填充過程受限于槽壁的阻擋,因此流場壓強的變化較小。后續對不同初始壓強的短槽流場進行外筒2700 r/min的持續剪切運動使其空化消失的實驗,實驗結果如表3所示。

表3 不同壓強短槽流場高速剪切空化消失相關參數

圖11 加壓短槽流場高速剪切空化消失參數圖

3 結論

本研究針對在研究二維活塞/缸體副微間隙高剪切流場實驗過程中發現的空泡“消失”現象,利用自制的可視化同心圓筒裝置,搭建充分發展的空化氣泡分布場,研究了不同溫度、流場壓強、 油液上方空氣占比以及定子外表面結構等因素對持續高剪切中空泡消失的影響,得出以下結論:

(1) 在純剪切流場空泡消失過程中,空化區間往流場中部收縮,最終消失,且空泡消失速度隨時間增加,溫度以對數形式增長,流場壓強變化趨勢與溫度大致相似;

(2) 在常壓微間隙一定(0.15 mm)下,油液溫升和流場壓強的上升促進純剪切流場的剪切空化消失現象的發生,且后者影響更顯著;

(3) 純剪切流場剪切空化消失時間隨流場初始壓強的上升呈指數下降的關系,壓強越高剪切空化現象消失時的溫度越低;

(4) 帶槽流場同樣存在空化消失現象,且空泡消失初生時間更短,其他實驗結論一致。

可初步判斷加壓初始壓強能夠加速剪切空化消失,減少空化氣蝕對二維活塞/缸體副系統的危害,一定程度上緩解了二維活塞泵或二維活塞流量計中所面臨的工程實際問題,對提高系統性能和工業發展具有重要意義。