首页>文献首页>转套式配流系统内部流场空化现象研究与分析

转套式配流系统内部流场空化现象研究与分析

刊名 《青岛大学学报(工程技术版)》
作者 张延君 英文名 年,卷(期) 2017 年 , 第 4 期
主办单位 青岛大学 国内刊号 37-1268/TS 国际刊号 1006-9798
关键词 转套式配流系统 空化现象 空化模型 数值仿真 入库时间 2018/1/12 16:05:53

转套式配流系统内部流场空化现象研究与分析

空化是流体机械中广泛存在的一种流体力学现象,是以液体为介质的泵、水轮机以及螺旋桨等透平机械的特 有流体力学问题,主要发生在液压泵、溢流阀、节流阀等流速和压力产生急剧变化的液压元件上为避免发 生空化现象,减少对泵及整个液压系统的危害,利用流体仿真分析,观察内部空化分布对液压元件尤为重要[34]。 G. H.Schnerr等人[6-1<>]通过对空化模型的完善,利用气液两相流模型完成了对泵内流场特性仿真,并在空化模 型的基础上,对空化流动的数值计算进行研究,深人分析内部空化的影响;A. K. Smghal等人[11_12]基于现有空化 理论模型,对流场内部的空化流动进行分析,从而实现对其预测,对空化的研究具有重要的工程意义;刘春节等 人[13]以高压柱塞泵为例,对空化流动进行数值模拟;刘晓红等人对轴向柱塞泵配流盘进行气蚀试验,根据减压 槽的结构不同,得到两种不同的试验结果;築地徹浩等人[15]对轴向柱塞泵的配流盘切口(V型口)附近喷射流动 进行可视化分析,通过使用3个V型槽的配流盘,成功抑制了空化作用。上述研究中都对空化现象做了深人理 论分析与数值模拟,但未涉及到转套式配流系统的研究,因此无法预测内部的空化情况及其对整个配流系统造成 的影响。基于此,本文利用已有的空化研究方法,结合配流系统的运动、工作特点,完成对整个模型的仿真分析, 分析了配流系统发生空化的内部机理,实现了空化与压力的仿真分布关系,进一步了解了配流系统的流场特性。 该研究具有一定的实际意义。

1空化产生机理和空化模型

1.1 空化产生机理

1) 流体内部压力降低产生空化。配流系统在工作过程中,泵腔由排流质阶段向进流质阶段转换瞬间,由于 减振槽的断面收缩,导致过流面积突然减小,流质吸人受阻,泵腔内压力由此降低。重新恢复正常压力前往往形 成一个低压区,压力降至流质的饱和蒸汽压,如果在低压区发生真空度很高的情况,则要发生空化现象。

2) 强剪切作用产生空化。配流系统在配流过程中,由于转套和柱塞、转套和流质腔间存在间隙,两两相对 运动时产生相对滑动,加上柱塞上下移动的加速度,相对滑动会产生强剪切力,从而发生强剪切流,导致流体内部 的应力状态由压应力变未拉应力,流体所承受的主应力变为张应力,流体中发生空化。

1.2空化模型

空化模型属于多相流模型之一,是液体流场的低压区域形成蒸汽空泡的过程。空化模型可以解决混合物的动量方程和气相的体积比方程[17^18]。本文采用流体力学中最基本的变密度标准黏性流动方程Navier-Stokes方 程建立空化模型,气体质量分数通过求解质量的动量守恒方程得到,流体的密度是关于气体质量分数/方程。 由此可得P-/的关系方程[4]为

blob.png

式中,源项艮和亿为气泡产生和消失的速度,是流动参数和流体参数的函数,也是空化模型最终求解的表达式;为气相二维流动方向上的运动平均速度;r为有效传递效率;▽为梯度算子,表示在空间各方向上全微分。

2配流系统CFD模型

blob.png

本文主要研究配流系统空化现象,计算 模型只选取配流系统的流体区域[19]。转套 式配流系统流体模型如图1所示,它包括进 流质腔、进流质口、泵腔、出流质腔、出流质口 及配流口等部分。流体模型采用结构化六面体划分,对配流口的减振槽区域进行网格加密处理,流体模型网格划分图如图2所示。采用CFD仿真软件Flu- ent,对配流系统流体进行仿真,仿真过程应用标准le湍流模型和SIMPLE算法。设定温度为20 °C的水作为流 体介质,水密度为998 kg/m3,黏度为0. 001 Pa ? s,人口压力为0. 1 MPa,出口压力为2. 0 MPa,空化压力(饱和 空气压)为2 339 Pa,由于配流系统以曲柄连杆机构驱动柱塞往复移动,所以设定曲轴转速为150 r/min。

3模拟与仿真

传统数值模拟中不考虑空化模型,当流场内部压力低于流质的饱 和蒸气压时,不会出现空化现象,如果流场内部压力不断下降,直至局 部压力低于绝对零压将导致理论结果出错,不考虑空化配流系统压力 场分布图如图3所示。当泵腔内部压力低于绝对零压时,有可能出现 了空化现象。因此,必须考虑空化的影响,才能正确分析流场内部压力 分布。考虑空化配流系统压力分布图如图4所示。配流口与进流质腔 接触部分和进流质口与流质油腔接触部分都出现局部低压,但加人空 化模型后,低压区压力仍大于绝对零压,符合实际情况。如果有空化现 象发生,这部分低压区可能就是空泡大量产生的区域。

加入空化模型后,不同时刻空泡体积组分分布图如图5所示。由 图5可以看出,配流系统在工作过程中出现了空化现象,而且空化的大 小与压力场分布有关。由图5还可看出,泵腔、配流口与进流质腔都有 空泡分布,空泡体积最大质量分数达95%,最低质量分数5%左右,但 出油腔与出油口空泡质量分数无明显变化。

blob.png

上述仿真结果只是仿真过程的一段工作过程,泵腔作为配流系统的工作空间压力变化最频繁,所以必须准确地得到整个泵腔内的仿真 图4考虑空化配流系统压力分布过程才能清晰地分析压力变化。因此,采取监测泵腔内部压力的方法

参考文献 (19 篇)

  • [期刊论文]        马富银。杨国平,吴伟蔚。泵的空化现象研究进展
  • [期刊论文]        赵展。何东升。柱塞泵的气穴现象与其最高转速的研究
  • [期刊论文]        杨长安,杨国来,刘志刚。等。三角槽节流孔角度和孔径对气蚀的影响
  • [期刊论文]        马吉恩。轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究
  • [期刊论文]        刘瑞芳,于子旺,范永海,等。液压系统的空化气蚀及其预防措施
  • [期刊论文]    Habil S I     Physical and Numerical Modeling of Unsteady Cavitation Dynamics
  • [期刊论文]    Telionis D P     Journal of Fluids Engineering: Transactions of the ASME
  • [期刊论文]    Zwart P J,Gerber A G, Belamri T     A Two-Phase Flow Model for Prediction Cavitation Dynamics
  • [期刊论文]    Kubota A,Kato H,Yamaguchi H     A New Modelling of Cavitating Flows: a Numerical Study of Unsteady Cavitation on a Hydrofoil Section
  • [期刊论文]    Kunz R F,Boger D A,Stinebring D R, et al     A Preconditioned Navier-Stokes Method for Two-Phase Flow with Application to Cavitation Prediction
  • [期刊论文]    Singhal A K,Athavale M M,Li H,et al     Mathematical Basis and Validation of the Full Cavitation Model
  • [期刊论文]    Zhang R,Chen H X     Numerical Analysis of Cavitation within Slanted Axial-Flow Pump
  • [期刊论文]    Zhang R,Chen H X     刘春节,吴小锋,干为民,等。基于全空化模型的柱塞泵内空化流动数值模拟
  • [期刊论文]    Zhang R,Chen H X     刘晓红,于兰英,刘桓龙,等。液压轴向柱塞泵配流盘气蚀机理
  • [期刊论文]    Zhang R,Chen H X     築地徹浩,陈卓,陈晶晶,等。轴向柱塞泵内部空化流的可视化分析
  • [期刊论文]    Athavale M M,Li H Y,Singhal A K,et al     Application of the Full Cavitation Model to Pumps and Inducers
  • [期刊论文]    Athavale M M,Li H Y,Singhal A K,et al     王海燕。轴向柱塞泵气蚀机理及仿真研究
  • [期刊论文]    Athavale M M,Li H Y,Singhal A K,et al     王智勇。基于FLUENT软件的水力空化数值模拟
  • [期刊论文]    Athavale M M,Li H Y,Singhal A K,et al     李静。基于CFD的轴向柱塞泵配流特性研究

010-56181807

周一至周五9:00-17:30

中国终身教育数据服务平台--中国终身教育学术研究中心课题组中教汇据(北京)科技有限公司

京ICP备15058941号-1Copyright © 2013-2016 ZJHJ Corporation,All Rights Reserved

京ICP证161029