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气蚀的CFD评价方法

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气蚀 CFD 评价 方法
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液 压气动与密封 /2011 年第 5 期气蚀的 杜 润 柯 坚(西南交通大学新型驱动技术中心 ,四川成都 610031)摘 要 :对空化射流气蚀实验装置的内部流场用 件进行数值仿真计算 ,建立气泡破灭假设 ,利用气穴数 (σ)评价气蚀的位置及程度 ,将仿真结果与实验数据对比得出气蚀发生的 σ 范围 。 结果表明 :对于石油基液压油 (G 32),气蚀发生在 σ=1~6 时 ,当 σ=对于自来水 ,气蚀发生在 σ= 时 ,当 σ=发生最大气蚀 。关键词 :气蚀 ;气穴数 ;化射流中图分类号 :献标识码 :A 文章编号 :1008011)05U E 10031, We of of σ)to of to 2), =1~6 is == is =高压 、大功率和小型化方向发展 ,液压元件的气蚀破坏越来越严重 。1972 年提出用射流装置测试材料气蚀 , 证实了气蚀强度与喷嘴口到被测试件表面距离间的关系[1 随后也用类似的装置对气蚀做了大量研究[3均得到了很多有价值的结论 。算流体动力学 )技术的发展和 业软件的广泛应用 , 使得由 件模拟液压元件内部流场成为可能 。 因此可以对实验装置进行可视化分析 ,避免盲目实验 ,并可优化产品设计 。本文根据 实验装置[5]进行 模仿真 ,分析实验结果并找出参数 σ 评价气蚀 。作出 σ 的分布图 ; 对比实验 ,σ 分布图可以比较准确的反映气蚀的位置和程度 。1 所示 。 喷嘴长度分别为 4直径分别为 φ1、喷嘴固定扣形状有φ3T、φ3S 两种形式 ,如图 2 所示 。 被测试件形状有斜面 ,锥面 (含内凹和外凸 )和平面三种 ,如图 3 所示 。图 1 实验装置图 2 喷嘴固定扣开孔形状 (a:φ3T, b:φ3S)图 3 试件形状收稿日期 :2010刘凯 (1986-),男 ,硕士研究生 ,西南交通大学驱动与智能系统专业 ,现从事气蚀仿真研究 。32 格划分采用 令将实验装置划分为六面体网格 。 如图 4 所示 。图 4 算条件在仿真过程中对流体做了如下假设 : ①流体介质分别为液压油 (自来水 ,其参数如表 1、表2 所示 ;②流体为不可压缩 ,牛顿流体 (即速度梯度变化时 ,动力黏度 μ 不变 );③压力低于空气分离压时不会出现空化现象 ;④模型流动状态为紊流 ,采用 κ流模型 。表 1 液压油 算参数表 2 设 :腐蚀与压力和速度的关系实验中气蚀发生的原因是 :高压流体通过喷嘴后 ,压力降到空气分离压以下 ,且溶于液体中的气体逸出 ,形成液流中的气泡 。 气泡被带到试件表面压力较高的区域受挤压破裂 。 气泡溃灭的内部压强非常高 ,如果在试件表面破裂 ,将造成试件表面的气蚀破坏 。试件气蚀破坏的严重程度取决于在试件表面破裂的气泡的数量和气泡溃灭产生的压力 。由于无法从微观上统计气泡破裂的数量 ,本文从宏观上提出试件表面气泡不发生破裂的条件 ,为 p(压力 )保护和 v(速度 )保护 。图 5 所示为当油作为介质时实验装置内流场分布 ,压力用等压线表示 ,速度用云图表示 。图 5 流场内压力速度分布图 (油 ,φ1,φ3S,平面 )v 保护 :试件表面压力低 ,流体速度快 ,气泡从试件表面快速通过 , 气泡在试件表面破裂的数量少 , 腐蚀轻 。 对应图 5a。p 保护 :试件表面压力高 ,流体速度低 ,大量气泡在离试件表面较远处破裂 ,气泡冲不进试件表面 ,气泡在试件表面破裂数量少 ,腐蚀轻 。 对应图 5c。气蚀破坏 :试件表面压力不够高 ,p 保护不足 ,速度不够快 ,v 保护不足 。 大量气泡在试件表面破裂 ,腐蚀严重 。 对应图 5b。价气蚀的可行性 :气穴数由于需要同时判断 p、v 大小才能确定腐蚀的程度 ,故气穴数 σ 满足要求 。σ=)式中 p——试件表面压力 ;空气分离压 ;ρ——密度 ;v——试件表面速度 。速度低 ,因此 σ 大 。 v 保护时压力低 、速度高 ,因此 σ 小 。 发生蚀破坏时 ,p 位于中间 ,v 位于中间 ,因此 σ 处于中间 。 故可以根据 σ 判名称 数值密度 ρ/(kg/876动力黏度 μ/32入口压力 值密度 ρ/(kg/1000动力黏度 μ/6入口压力 33液 压气动与密封 /2011 年第 5 期断是否发生气蚀破坏 ,以及发生气蚀的位置 。穴数与气蚀发生的关系根据实验数据可以得到腐蚀量和距离 L、 倾斜角α、锥角 β 的关系 ,根据仿真结果可以找到不同 L、α、β上试件的腐蚀中心对应的 σ, 故可以得到腐蚀量和 σ的关系 。 油 (应的 σ 和腐蚀量的关系如图6 所示 ,自来水对应的 σ 和腐蚀量的关系如图 7 所示 。图 6 油对应的 σ 和腐蚀量的关系 (平面 )图 7 水对应的 σ 和腐蚀量的关系由图可知对于石油基液压油 , 发生气蚀破坏的 σ范围是 1~6,σ=发生气蚀破坏程度最大 。 对于自来水发生气蚀破坏的 σ 范围是 ,σ=发生气蚀破坏程度最大 。 在整个流场的分布按 σ=1~6 作出介质油 (应的 σ 分布图 ,σ>6 或者 σ3 或者 σ<黑色表示 ,σ= 用渐变色表示 。实验流体为石油基液压油 ,喷嘴直径 φ1,喷嘴固定扣形状为 φ3S,试件表面为平面 ,对应的 σ 分布图为图 8,对比图可以看出 :在 L=10L=试件处于 v 保护 ,只有少量气泡在试件表面破裂 ,故试件腐蚀程度较轻 。 在 L=L=试件处于气蚀破坏 , 有大量气泡在试件表面破裂 , 故试件腐蚀严重 。 在 L=35试件处于 p 保护 ,大量气泡在远离试件表面处破裂 ,只有少量气泡在试件表面破裂 ,故腐蚀较轻 。 图 8f 为此实验对应的腐蚀和距离 L 的关系 。图 8 σ 分布图对比 (油 ,φ1,φ3S,平面 )实验流体为自来水 ,喷嘴直径为 φ1,喷嘴固定扣形状为 φ3T,试件表面为平面 ,对应的 σ 分布图为图 9。对比图可以看出 : 在 L=10=试件处于 v 保护 ,腐蚀程度较轻 。 在 L==试件处于气蚀破坏 ,腐蚀严重 。在 L=有比较多的气泡在试件表面破裂 ,腐蚀较重 ,腐蚀量与图 9f 相对应 。图 9 σ 分布图对比 (自来水 ,φ1,φ3T,平面 )34 喷嘴直径为 φ1,喷嘴固定扣形状为 φ3S, 试件表面为斜面 , 对应的 σ 分布图为图10。 当倾斜角 α 为 0°时气蚀最严重 ,区域为一环形带 ;当 α 等于 15°或者 30°时 , 腐蚀区域只是沿着斜面朝上的那一方 ,腐蚀比较小一些 ;当 α 为 45°时 ,腐蚀区域只是沿着斜面朝上的那一方并且在试件表面破裂的气泡数量变少 ,故试件表面腐蚀程度更轻一些 ;当 α 为 60°时 ,大量气泡在远离试件表面处破裂 ,试件表面破裂气泡最少 ,故腐蚀最轻 。图 10 σ 分布图对比 (自来水 ,φ1,φ3S,斜面 )实验流体为自来水 ,喷嘴直径为 φ1,喷嘴固定扣形状为 φ3S, 试件表面为锥面 , 对应的 σ 分布图如图11 所示 。 当锥角 β 为 者 ,只有部分气泡在试件表面破裂 ,气蚀比较轻 。 当 β 为 0°时试件为平面 ,有比较多的气泡在试件表面破裂 ,腐蚀比较严重 。 当 β为 15°时 ,更多的气泡在试件表面破裂 ,腐蚀也更严重 。当 β 为 30°时大量的气泡在试件表面破裂 ,试件腐蚀最严重 ;但是这与实验数据不吻合 ,实验数据显示当 β 为30°比 15°的腐蚀要轻 ,原因需要进一步查找 。图 11 σ 分布图对比 (自来水 ,φ1,φ3S,锥面 )4结论本文提出了用 法利用气穴数 σ 作为参数判断气蚀 ,比较准确的判断了气蚀的位置和程度 。 不同的流体介质对应的发生气蚀的 σ 数是不同的 。(1)对于石油基液压油 (G 32),气蚀发生在σ=1~6 时 ,当 σ=气蚀最严重 。(2)对于自来水 ,气蚀发生在 σ= 时 ,当 σ=可以进一步通过做实验和仿真结合的方法 , 确定出每一种流体介质发生气蚀的 σ 范围 , 进而通过仿真直接判断所设计的装置结构是否容易发生气蚀 , 和发生气蚀的位置 ;改进装置结构以减小气蚀的发生 。参 考 文 献[1][2][3][4][5], of a 1972,239(91):, 64, , , to 1987,109(4): , , , ,4/1997,, , ue of 82000,2635
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