二维活塞/缸体副微间隙高剪切流场中空泡“消失”现象的实验分析

李星星, 王敬成, 章立超, 丁 川

(1.浙江工业大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江工业大学 理学院, 浙江 杭州 310023)

引言

液压元件中的空化现象是限制液压元件性能的一个重要因素[1]。丁川等[2]提出的二维活塞泵和二维活塞流量计等二维液压元件均采用二维活塞结构以适应高转速工况的需要。因此,这类二维液压元件需要面临在高转速工况下,二维活塞与缸体间的微小间隙中油液受到强剪切而引发空化现象所致的一系列影响元件性能和使用寿命的问题。在过去的研究中,采用实验法去归纳分析二维活塞结构参数及剪切流场物理边界条件对产生空化现象的影响[2]。随着研究的进一步展开,发现二维活塞/缸体副微间隙高剪切流场不变条件地长时间持续剪切,会使得已产生的空化气泡“消失”。如果这个现象切实存在,且能通过研究确定物理实现的机理,则对解决液压元件中所面临的空化问题提供了一种新的思路, 对提升设备稳定性和工业发展具有重大意义。因此,对二维活塞/缸体副微间隙高剪切流场中空泡“消失”现象开展了研究。

空化是指液体内局部压强低于临界值时气泡的初生、发展、溃灭以及回弹的动态过程。早期,William等[3]采用稳定流速和逐渐升高系统压力的实验方法研究空化消失现象,认为空化消失的随机性要比空化初生的小,且其滞后时间随着系统的流速、模型体的尺寸、液体的气体溶解度等的增大而减小。随着研究的进一步发展,空化消失现象通常主要可分为空化气泡溃灭、气泡溶解或气液二相传质3种类型。气泡溃灭是由于流体具有流动性,空化后的气泡难以保持其形状,被周围的流体挤压后收缩直至消失[4]。气泡溃灭首先用气泡动力学模型描述。Rayleigh提出用球形气泡模型来描述单个气泡在无黏流动中的生长和溃灭。Plesset扩展了Rayleigh的理论,考虑了黏性力和表面张力的影响[5-7]。两人共同构建的Rayleigh-Plesset方程已被广泛应用于气泡动力现象的研究中。Brennen等[8]对上述的球形气泡理论进行了总结,并给出了气泡溃灭时间的解析解等一些特征。随着计算机技术的进步,大量科研人员采用数值计算的方法对气泡的生长与溃灭进行研究,如Brujan等[9]采用边界积分法(BIM)数值研究了单个气泡溃灭的最后阶段;Tian等[10]采用移动粒子半隐式方法(MPS)模拟了二维轴对称空泡的溃灭;Zhang等[11]采用三维模型数值研究了溃灭空泡的强不稳定射流冲击及回弹过程等[12]。

气泡溶解过程从现象上表现出气泡体积连续减小,即通常所称的“塌陷”过程[13]。气泡溶解实质是一个质量扩散过程,这一质量扩散过程受质量传递和动量传递两方面控制[13]。最早涉及气泡在黏弹性液体塌陷的是Fogler等[14],从理论上分析了在无限量的线性Maxwell二型模型的黏弹液体中的一个球形气泡的塌陷过程。Tanasama等[15]使用一个Old Royd三常数的黏弹模型研究了气泡在黏弹液体中的塌陷行为,通过考虑气泡内气体热力学行为,观察到在绝热条件下气泡塌陷比在等温情况下要快;Zana等[16]使用一个牛顿型流体和一个改进的Old Royd模型的黏弹流体,对球形气泡在无限量介质中的扩散控制的溶解进行了研究;Yoo等[17]使用了Zaremba-DeWitt模型在考虑了流动力学和扩散基础上研究了气泡在黏弹性液体中长大或塌陷过程的振荡行为。

气液二相传质是指在气体和液体的混合物中,两种不同物质之间通过扩散等方式进行的质量转移过程。现代的扩散概念主要来源于Fick两大定律[18]。在工程应用中,扩散常常被认为与温度存在较强的关系,一般使用Arrhenius方程予以确定,其中Wilke-Chang经验公式给出了低浓度下的扩散系数与溶剂黏度以及温度的关系[19]。对于液压油而言,空气在液压油中的溶解度和扩散系数的研究较少。国外有Tellus12的空气溶解度报道,国内有郭关柱等[20]对于32#抗磨液压油的空气溶解度测量数据,以及DING Chuan等[21]对于空气在液压油中的扩散系数与温度及黏度关系的实验和理论探讨。

上述空化消失现象的研究内容涵盖了三大主要可能方向的理论建模、数值仿真、实验分析过程,为本研究的开展提供了理论支撑和实验方法的指导。因此,将采用自制的纯剪切流变装置模拟二维活塞与缸体配合微间隙内流体的一维运动工况,分别就不同温度、流场压强和油液上方空气占比等方面对强剪切场下液压油中的空气空泡“消失”现象展开研究。

1 实验系统准备

实验系统的组成原理以及其实物构造如图1a和图1b所示,同心圆筒装置与下方阀块固连,透明外圆筒在额定功率为1.2 kW的伺服电机(110ST-M04030)的动力输出下旋转,对微间隙内的流体介质产生剪切作用,在伺服电机的带动下,外圆筒的最高旋转速度可达2700 r/min;通过使用联轴器连接伺服电机和同心圆筒装置的扭矩传感器(SL06-3AG)可实时采集同心圆筒装置旋转时的扭矩变化,传感器的量程为0～3 N·m,测量精度为满量程的0.2%;通过安装在定子工作段外壁面附近的温度传感器(PT100)获得不同时刻内部流场的瞬态温度;在外圆筒内壁面的承压范围内,通过加压泵加压以及0.25级精度的MIK-P300压强传感器的监测,可在0～3 MPa范围内调节同心圆筒装置内流场的环境压强;通过有机玻璃制成的透明外圆筒,在45号钢制成的经过发黑处理的定子以及定位板的背景下,借助强光照明,通过相机录像的方式捕获到清晰的流场剪切空化图像。

图1 剪切流变实验系统

如图2所示为同心圆筒装置内部的相关尺寸示意图。在实验过程中,通过微间隙为δ的工作腔流场来模拟二维活塞与缸体配合微间隙内的一维剪切流场,并研究上述影响因素对微间隙流场剪切空化消失现象的影响。此外,表1给出了同心圆筒装置的相关参数。

表1 同心圆筒装置相关参数

图2 同心圆筒装置相关尺寸图

为避免油液初始含气量对实验结果的影响,本实验通过将油液放置于恒温环境,暴露于空气中并静置一定时间,使油液的初始含气量处于平衡状态;为避免油液初始温度对实验结果的影响,本实验通过定子内置的温度传感器 PT100 的温度监测,可确保其工作腔处的初始温度在 24 ℃附近。为研究油温对该剪切空化消失现象的影响,本实验通过将上容腔空气占比(空气腔高度与上容腔高度L1之比)设为20%以及60%,以保持内部的常压流场,并对其进行持续强剪切,分析油温对剪切空化消失现象的影响;为研究流场压强对该剪切空化消失现象的影响,本实验通过加压泵加压装置内流场压强,对其进行持续强剪切,分析流场压强对剪切空化消失现象的影响; 为研究配流槽结构对该剪切空化消失现象的影响,如图3所示,相较于光滑内圆筒即定子A,按2D活塞设计等比例缩放加工出4个配流槽,即定子B,此外还加工了配流槽长度为定子B的40%的定子C,本实验通过更换定子,进行有槽流场的持续强剪切,分析有槽对剪切空化消失现象的影响。

图3 定子实物图

2 实验结果及数据分析

由先前研究一维运动流场的结论可知,外筒转速越高,会使无槽流场剪切空化现象越发剧烈,但是在进行了单边微间隙0.15 mm的无槽流场在常压且外筒长时间保持2700 r/min的剪切空化实验后发现:常压恒定高转速下,无槽流场的空化带会随着时间变化,最后消失。然而在更换大内径的外圆筒使微间隙为0.45 mm,0.65 mm 后,无槽流场以及短槽流场均无法出现剪切空化现象,故后续将不提及微间隙大小对空泡消失的实验影响。具体空化带变化如图4所示,剪切空化现象瞬间在无槽流场中部出现,且在旋转20 s 时空化区间由中部向上下方扩散发展达到最大范围,持续至60 s空化区间未发生明显变化,随后空化区间开始逐渐往无槽流场中部收缩,长条状空泡逐渐缩短直至消失,且空泡消失速度随时间越来越快,空化初生直至消失总过程历时约325 s。

图4 常压2700 r/min无槽流场剪切空化消失过程

图5为剪切过程中无槽流场温度与压强的变化,t表示剪切时间。其中温度以对数形式增长,流场压强变化趋势与温度大致相似,显然无槽流场温度变化对其内部压强的持续升高有一定影响,当流场温升值(即空化消失时流场温度与初始流场温度之差)为27.5 ℃且增压值(即空化消失时流场压强与初始流场压强之差)为40 kPa时空化带完全消失。

图5 无槽流场相关参数变化

2.1 温度对高速流场剪切空化“消失”现象的影响

为探究温度对高速流场剪切空化“消失”现象的影响,保持高速剪切流场压强恒定,对空气占比20%及60%的无槽流场进行外筒2700 r/min持续剪切的空化实验。不同于满油状态,上容腔留有空气,油液持续剪切,无槽流场内的空泡并未完全消失,然而随油温上升,其空化区间仍有一定程度的缩小现象,如图6所示。上容腔预留60%的空气占比,流场空化在5 s后初生,并在20 s时基本达到其最大范围,直至205 s其空化区间并未发生较为明显的变化,而在205～512 s其空泡有一定程度的“溶解”,且尽管512 s时油液温度已达到61 ℃,但其内部压强变化不明显,空化并未完全消失。显然在常压下,流场压强的上升对无槽流场的剪切空化消失现象影响更显著。

图6 外筒2700 r/min空气占比60%的无槽流场流态变化

2.2 压强对高速流场剪切空化“消失”现象的影响

为探究不同压强对高速流场剪切空化“消失”现象的影响,本实验通过加压泵对满油状态的同心圆筒装置加压,研究油液在常压基础下加压30, 50, 80, 100, 150 kPa下的外筒2700 r/min的油液强剪切现象,实验发现各压强下流场内皆出现了剪切空化“消失”现象。实验结果如表2所示。

表2 不同压强无槽流场高速剪切空化消失相关参数

从压强对无槽流场剪切空化影响的实验结果可知,外筒旋转速度2700 r/min 且对无槽流场加压40 kPa时,其流场仍应出现剪切空化现象,故而常压下外筒2700 r/min无槽流场剪切空化现象消失的过程中,46号液压油的温度变化起着重要作用。此外,如图7所示,其中横坐标表示初始流场压强,无槽流场剪切空化消失时间会随流场初始压强的上升呈指数下降的趋势,压强越高剪切空化现象消失时的温度越低,显然压强越高剪切空化程度越低,故而剪切空化现象消失越快。

图7 无槽流场高速剪切空化消失

综合上述实验,可知在油液温升和由油液温升所带来的流场压强升高的共同作用下,无槽流场剪切空化所产生的空泡会存在消失的现象,且后者影响更显著。常温常压下,46号液压油的空气溶解度一般为6%～12%,当油液系统的压强及温度变化时,油液中空气的溶解度也会随之发生改变。郭关柱等[21]通过自制的精密活塞式装置,研究不同压强和温度下空气在油液中本生溶解度的变化。当油液处于恒温状态下,空气的气体溶解度遵循亨利定律,其本生溶解度与压强呈较好的线性关系,空气在油液中的溶解度会随系统压强上升而上升;当油液处于恒压状态下,空气在油液中的溶解度则会随系统温度的上升而下降,这可以解释油压升高所致的空泡消失,然而油液温升所带来的影响则需要从别的角度进行分析。考虑到剪切空化的主应力判据与被剪切介质的黏度息息相关,分析认为,因为油液黏度随温度上升大幅下降,使得油液所受剪切应力不足所致。如图8所示,各压强下无槽流场空化消失时的剪切应力明显小于其最终压强下的临界剪切应力。因此,初步推测油液温升降低了油液黏度,同时降低了无槽流场所受到的剪切应力,使其达不到相应的剪切空化所需的主应力,故而造成部分空化消失的现象。对于无槽流场而言,常压且加压情况下外筒持续高转速剪切油液,油温上升使油液所受剪切应力下降,油压上升使油液剪切空化所需剪切应力增加,两者影响着空气在油液中的本生溶解度,促使无槽流场剪切空化从有到无,出现空泡消失的现象。

图8 不同压强无槽流场临界剪切应力以及高速空化消失剪切应力

2.3 定子有槽对高速流场剪切空化“消失”现象的影响

二维活塞通常带有配流槽结构,为探究二维活塞外表面上配流槽结构对空泡消失的影响,在微间隙一定时,本实验通过将定子A替换为定子B,研究配流槽对工作腔流场剪切空化“消失”现象的影响。然而,在实验转速范围内,长槽流场常压下均未发生剪切空化现象,故只讨论短槽(定子C)流场下的空泡“消失”现象。

实验发现空化消失现象在有槽流场同样发生,且实验结论一致,故有槽与否不影响该空化“消失”现象的发生,实验现象如图9所示。

图9 外筒2700 r/min短槽流场持续剪切的流态变化

对比相同工况下无槽流场的剪切空化消失过程,有槽流场空化“消失”现象初生时间更短。经分析认为,造成上述差异的原因在于无槽流场和短槽流场的微间隙纯剪切流场的轴向范围不同。

从流场的压强变化来看,如图10b所示,短槽流场在持续高速剪切运动时,流场压强最高上升约20 kPa,而无槽流场剪切空化现象消失时,其流场压强上升约40 kPa,两者数值相差2倍;实验结果表明,在空化现象消失时,无槽流场的流场压强变化比短槽流场更为明显。经分析认为当空泡消失时,油液会填充空泡原本占据的位置,导致流场内部压强增加。而在无槽流场中,由于没有任何障碍物阻挡油液的运动,油液可以快速地填补空泡留下的位置,从而引起更大幅度的流场压强变化。相比之下,在短槽流场中,空泡的填充过程受限于槽壁的阻挡,因此流场压强的变化较小。后续对不同初始压强的短槽流场进行外筒2700 r/min的持续剪切运动使其空化消失的实验,实验结果如表3所示。

表3 不同压强短槽流场高速剪切空化消失相关参数

图11 加压短槽流场高速剪切空化消失参数图

3 结论

本研究针对在研究二维活塞/缸体副微间隙高剪切流场实验过程中发现的空泡“消失”现象,利用自制的可视化同心圆筒装置,搭建充分发展的空化气泡分布场,研究了不同温度、流场压强、 油液上方空气占比以及定子外表面结构等因素对持续高剪切中空泡消失的影响,得出以下结论:

(1) 在纯剪切流场空泡消失过程中,空化区间往流场中部收缩,最终消失,且空泡消失速度随时间增加,温度以对数形式增长,流场压强变化趋势与温度大致相似;

(2) 在常压微间隙一定(0.15 mm)下,油液温升和流场压强的上升促进纯剪切流场的剪切空化消失现象的发生,且后者影响更显著;

(3) 纯剪切流场剪切空化消失时间随流场初始压强的上升呈指数下降的关系,压强越高剪切空化现象消失时的温度越低;

(4) 带槽流场同样存在空化消失现象,且空泡消失初生时间更短,其他实验结论一致。

可初步判断加压初始压强能够加速剪切空化消失,减少空化气蚀对二维活塞/缸体副系统的危害,一定程度上缓解了二维活塞泵或二维活塞流量计中所面临的工程实际问题,对提高系统性能和工业发展具有重要意义。