張 健 齊乃明 姜繼海 孫健偉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院， 哈爾濱 150080； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院， 哈爾濱 150001； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150080； 4.哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院， 哈爾濱 150028)

0 引言

氣穴是在流體機(jī)械、液壓設(shè)備、噴油嘴、艦船螺旋槳、水下航行器等與液體有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域中常見的一種現(xiàn)象[1]。氣穴是液體局部壓力低于液體當(dāng)前溫度飽和蒸汽壓時液體汽化產(chǎn)生大量氣泡的現(xiàn)象。氣穴氣泡的整個發(fā)展過程包括氣泡初生、發(fā)展、壓縮、最終潰滅。氣穴的產(chǎn)生通常伴隨著熱力學(xué)效應(yīng)，而氣泡的最終潰滅則會在潰滅部位引起局部高溫和高壓。HSIAO等[2]指出氣泡潰滅后可形成高達(dá)1.3 GPa的壓力。FLINT等[3]指出氣泡潰滅后可形成5 075 K的高溫。高溫高壓會造成鄰近氣穴氣泡的零件表面材料剝蝕，該現(xiàn)象被稱為氣蝕。錐型節(jié)流閥廣泛應(yīng)用于各類液壓系統(tǒng)中，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在閥口部位極易產(chǎn)生氣穴。氣穴往往使錐型節(jié)流閥產(chǎn)生氣穴噪聲和氣蝕，以及導(dǎo)致閥口堵塞等，造成錐型節(jié)流閥使用性能下降，甚至失效。因此對錐型節(jié)流閥氣穴的研究具有現(xiàn)實意義。

目前，對液壓閥氣穴的研究主要集中在理論和實驗兩方面。GAO等[4]通過數(shù)值模擬研究了水壓系統(tǒng)的錐閥氣穴問題。冀宏等[5]研究了內(nèi)流道形狀對溢流閥氣穴噪聲的影響。LEE等[6]研究了機(jī)械心臟閥的氣穴機(jī)理。ZOU等[7]研究了U型節(jié)流槽對滑閥氣穴的影響，獲得了氣穴形態(tài)、氣穴噪聲等試驗數(shù)據(jù)。PARK[8]研究了水壓伺服錐閥，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度對抑制氣穴有一定的參考價值。WASHIO等[9]利用高速攝像系統(tǒng)研究了液壓錐閥的氣穴形態(tài)，為氣穴的理論研究提供了試驗支持。LISOWSKI等[10]利用CFD技術(shù)研究了邏輯閥的流場情況，其成果具有一定的理論價值。LUO等[11]利用高速攝像系統(tǒng)獲得了兩個氣穴氣泡潰滅的過程。ZHANG等[12]通過CFD與實驗方法研究了水壓節(jié)流閥的氣穴問題。SHI等[13]通過實驗方法研究了水壓節(jié)流閥抑制氣穴的方法。NIEDWIEDZKA等[14]利用CFD方法研究了液壓系統(tǒng)內(nèi)的氣穴流。CHEN等[15]研究了噴嘴擋板閥的噪聲抑制方法。NAZARI-MAHROO等[16]研究了液體粘度對氣穴氣泡的影響，充實了氣穴熱效應(yīng)理論。李明學(xué)等[17]研究了吸油壓力對外嚙合齒輪泵氣穴的影響。鄭水華等[18]研究了擺線轉(zhuǎn)子泵氣穴特性。

目前，對液壓閥內(nèi)氣穴及氣穴機(jī)理的研究已有很多成果，但針對錐型節(jié)流閥內(nèi)氣穴的溫度效應(yīng)研究較少。本文通過實驗方法研究錐型節(jié)流閥內(nèi)產(chǎn)生氣穴后溫度效應(yīng)對氣穴的影響，從實驗角度探究溫度效應(yīng)對氣穴形態(tài)的影響規(guī)律，以期為氣穴發(fā)展變化的理論研究以及錐型節(jié)流閥的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 基本假設(shè)

由于氣穴從初生到潰滅的整個過程十分復(fù)雜，伴隨著強(qiáng)烈的熱力不平衡性，涉及物理化學(xué)等多方面影響，故對于氣穴的理論研究需要進(jìn)行必要的假設(shè)。氣泡動力學(xué)描述的是氣穴從氣泡初生到氣泡潰滅整個過程氣泡形態(tài)的變化規(guī)律。目前氣泡動力學(xué)的基礎(chǔ)是Lord Rayleigh于1917年推導(dǎo)的氣泡動力學(xué)方程。本文對氣泡動力學(xué)的研究也是基于Rayleigh的氣泡動力學(xué)方程。根據(jù)相關(guān)研究，液體中存在氣核以及低壓區(qū)的產(chǎn)生是氣穴形成的兩個必要條件。結(jié)合液體中存在氣核這一必要條件，針對氣泡動力學(xué)的理論研究，本文作如下假設(shè)：在氣穴氣泡從初生到潰滅的整個過程中，氣泡將始終保持球形；在氣穴氣泡從初生到潰滅的整個過程中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；自由氣核僅含有液體的蒸汽和空氣；氣穴氣泡與周圍液體不發(fā)生相對移動；氣穴氣泡內(nèi)氣體壓力沿徑向均勻分布。

1.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)氣泡的整個生命周期是等溫過程，泡內(nèi)溫度和周圍液體溫差為[19]

(1)

式中Tb——?dú)馀輧?nèi)溫度，K

Tl——?dú)馀葜車后w溫度，K

R——?dú)馀莅霃剑琺

L——液體汽化潛熱，J/kg

Δt——到達(dá)氣泡半徑所用時間,s

αl——液體熱擴(kuò)散率,m2/s

cpl——液體定壓比熱容，J/(kg·K)

ρv——蒸汽密度，kg/m3

ρl——液體密度，kg/m3

在熱力學(xué)影響下液體飽和蒸汽壓差為

(2)

氣泡溫度時飽和蒸汽壓為

pv(Tb)=pv(Tl)-Δpv

(3)

式中pv(Tb)——?dú)馀轀囟葧r液體飽和蒸汽壓，Pa

pv(Tl)——液體溫度時液體飽和蒸汽壓，Pa

引入?yún)?shù)

(4)

考慮熱效應(yīng)的Rayleigh-Plesset方程[19]為

(5)

式中p∞——?dú)馀萃庖后w壓力，Pa

pg0——初始時刻泡內(nèi)氣體壓力，Pa

R0——初始時刻氣泡半徑，m

S——液體的表面張力系數(shù)，N/m

μ——液體的動力粘度，Pa·s

γ——多變指數(shù)，氣體定壓比熱容與定容比熱容之比

氣泡內(nèi)壓力為[20]

(6)

式中T∞——參考溫度，K

由式(6)可得

(7)

將式(1)代入式(7)得

(8)

蒸汽密度為[21]

(9)

式中Rv——蒸汽氣體常數(shù)，J/(kg·K)

液體飽和蒸汽壓可表達(dá)為[22]

(10)

式中pr——參考溫度下的飽和蒸汽壓，Pa

從理論分析可知，當(dāng)溫度升高時，液體的飽和蒸汽壓會隨著溫度的升高而升高，表明溫度越高，形成氣穴的條件越容易達(dá)到，即氣穴的強(qiáng)度會隨著溫度的升高而增強(qiáng)。同時由式(5)可知，當(dāng)考慮溫度影響時，溫度的升高會加速氣泡的膨脹，氣穴會更加明顯。

2 實驗

為了探尋液壓錐型節(jié)流閥氣穴產(chǎn)生后受溫度效應(yīng)的影響程度以及受溫度效應(yīng)的影響規(guī)律，本文對氣穴形態(tài)的圖像采集以及影響氣穴形態(tài)的壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)的采集與處理進(jìn)行研究。為此搭建了液壓錐型節(jié)流閥可視化實驗臺，該實驗臺包括液壓油源系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)兩部分。

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。溢流閥調(diào)定實驗閥入口壓力；液壓泵給系統(tǒng)供油；溫度/壓力傳感器測量實驗閥入口溫度和壓力；高速攝像機(jī)采集氣穴狀態(tài)；壓力傳感器測量實驗閥出口壓力；節(jié)流閥調(diào)節(jié)背壓；渦輪流量傳感器測量系統(tǒng)流量。實驗系統(tǒng)如圖2所示。為觀察錐型節(jié)流閥內(nèi)的氣穴，實驗節(jié)流閥采用高透明性的有機(jī)玻璃(PMMA)制造。實驗節(jié)流閥結(jié)構(gòu)如圖3所示。實驗系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of experimental system1.溢流閥 2.液壓泵 3.溫度/壓力傳感器 4.實驗節(jié)流閥 5.高速攝像機(jī) 6.壓力傳感器 7.節(jié)流閥 8.流量傳感器

圖2 實驗系統(tǒng)Fig.2 Experimental system

圖3 實驗節(jié)流閥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Experimental throttle valve structure

表1 實驗系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Experimental system parameters

為研究錐型節(jié)流閥工作時節(jié)流溫升產(chǎn)生的溫度效應(yīng)對氣穴形態(tài)的影響，實驗中并未單獨(dú)控制溫度，實驗中采集的溫度都是節(jié)流閥工作時的實際溫度。本文采用的高速攝像系統(tǒng)最高可達(dá)到1×104f/s的采集速度，完全能夠保證氣穴形態(tài)的采集工作順利進(jìn)行。有機(jī)玻璃材質(zhì)具有很好的透明性，并且有一定的強(qiáng)度，在實驗過程中可以將工作壓力設(shè)置為至少5 MPa，能夠模擬錐型節(jié)流閥在低壓條件下的工作情況。

2.2 實驗結(jié)果

為獲得氣穴初生氣泡初始尺度，將閥口開度固定，分別獲得了背壓為0時不同系統(tǒng)壓力溫度情況下的氣泡尺度。圖4為不同進(jìn)口壓力和不同液壓油溫度下的氣泡初生圖像。

圖4 不同進(jìn)口壓力、液壓油溫度的氣泡初生圖像Fig.4 Initial bubble images at different inlet pressures and hydraulic oil temperatures

由圖4可知，錐型節(jié)流閥內(nèi)氣穴在初生時并不是產(chǎn)生單個氣泡，而是產(chǎn)生多個氣泡，初生氣泡平均直徑約30 μm，并且隨著液壓系統(tǒng)溫度和壓力的變化，氣泡初生時的平均直徑變化并不大，說明在對錐型節(jié)流閥內(nèi)氣穴進(jìn)行理論研究時，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)條件一定時初生氣泡的初始直徑可以假定為一個定值，在本文的參數(shù)條件下可將初始?xì)馀莅霃郊俣?0 μm。該數(shù)值與文獻(xiàn)[18]所提初生氣泡直徑在尺度上基本一致。說明溫度對氣穴的影響并不體現(xiàn)在初生氣泡直徑，與氣穴由存在于液體內(nèi)的微小氣核產(chǎn)生的理論假設(shè)相一致。氣穴初生時的氣泡半徑只與微小氣核的大小有關(guān)。

圖4右側(cè)的圖為左側(cè)圖的局部放大8倍圖，氣泡尺寸的測量采用了高速攝像機(jī)圖像處理軟件中的測量工具。軟件測量的氣泡尺寸與實際氣泡尺寸有一定的偏差，故本文得到的氣泡平均直徑不是絕對值，而是估算值，偏差級別在0.000 1 mm。

圖5為閥進(jìn)口壓力1～4 MPa、背壓0時的氣穴形態(tài)變化。由圖5可知，隨著進(jìn)口壓力的增加，閥口處壓差增大，更容易產(chǎn)生氣穴，氣穴強(qiáng)度隨著閥口處壓差增大而增加，同時在錐型節(jié)流閥內(nèi)的氣穴在氣泡數(shù)量較少時產(chǎn)生的是片狀氣穴，隨著初生氣泡大量產(chǎn)生，氣泡云會形成，隨著氣泡數(shù)量的增多氣泡云越來越明顯。由圖5a可知，此時氣泡數(shù)量并不是很多，氣穴氣泡聚集在一起形成的形狀是片狀。由圖5b可知，此時氣泡數(shù)量較圖5a有明顯增多，初始時刻還是呈片狀，但隨著氣穴的發(fā)展呈現(xiàn)出氣泡云。由圖5c、5d可知，氣泡數(shù)量進(jìn)一步增加，初始時刻已經(jīng)開始呈現(xiàn)云狀，尤其是圖5d，氣泡最終幾乎占滿整個流道。

圖5 氣穴形態(tài)變化Fig.5 Changes in cavitation morphology

為探究溫度對氣穴狀態(tài)的影響，本文分別在開度、系統(tǒng)壓力、背壓一定時采集了氣穴形態(tài)變化過程。圖6為在不同圖像采集溫度條件下的進(jìn)口壓力。圖7為在不同圖像采集溫度條件下的流量。由圖6、7可知，在圖像采集時閥壓力條件和流量條件變化不大，可近似認(rèn)為圖像采集時閥的工作條件只有溫度在改變。圖8為系統(tǒng)壓力5 MPa、背壓0、溫度分別為34.2、35.7、37.0、40.0、41.0℃時的氣穴發(fā)展過程。由圖8可知，當(dāng)溫度升高時，氣泡的發(fā)展更加充分，非常明顯地觀察到氣穴從34.2℃時未完全充滿流道到41.0℃時幾乎完全充滿流道。表明溫度對氣穴的發(fā)展有重要影響，溫度越高，氣穴在錐型節(jié)流閥內(nèi)發(fā)展越充分，對錐型節(jié)流閥性能的影響也越大，這與理論分析獲得的結(jié)論相一致。同時，由圖8可知，溫度不只影響氣穴發(fā)展程度，也影響著初生氣泡的數(shù)量，在溫度較低時初生氣泡數(shù)量明顯少于溫度高時。

由圖5可知，錐型節(jié)流閥氣穴隨著強(qiáng)度的增加由片狀氣穴轉(zhuǎn)變?yōu)樵茽顨庋?，在低?qiáng)度時，氣穴為片狀氣穴，在高強(qiáng)度時氣穴為云狀氣穴，在錐型節(jié)流閥內(nèi)通常不產(chǎn)生單氣泡氣穴現(xiàn)象，因此對錐型節(jié)流閥氣穴的理論研究應(yīng)將多個氣泡的相互影響考慮進(jìn)去。

圖6 不同圖像采集溫度條件下的進(jìn)口壓力Fig.6 Inlet pressure under different image acquisition temperature conditions

綜上可知，溫度對氣穴的影響主要表現(xiàn)在對氣穴強(qiáng)度及形態(tài)的影響上，不同溫度條件下，微小氣核形成氣泡的難易程度不一樣，溫度越高氣核受到的束縛越小，氣核越容易形成氣泡，同時溫度越高氣泡發(fā)展越充分，氣泡直徑發(fā)展的越大，氣穴強(qiáng)度也就越大。

圖7 不同圖像采集溫度條件下的流量Fig.7 Flow rate at different image acquisition temperatures

圖8 系統(tǒng)壓力5 MPa時氣穴發(fā)展過程Fig.8 Cavitation development process at system pressure of 5 MPa

3 結(jié)論

(1)在當(dāng)前實驗參數(shù)下，錐型節(jié)流閥內(nèi)氣穴氣泡初生時的直徑變化不大，平均直徑約為30 μm，在對錐型節(jié)流閥內(nèi)氣穴進(jìn)行理論研究時，相同參數(shù)條件下可將初生氣泡直徑假定為定值。

(2)錐型節(jié)流閥內(nèi)的氣穴會隨著溫度的升高而獲得更充分的發(fā)展，同時溫度也影響氣穴初生氣泡的數(shù)量，溫度越高，初生氣泡越多。

(3)錐型節(jié)流閥內(nèi)的氣穴主要是片狀和云狀氣穴，氣穴初生時通常會產(chǎn)生大量氣泡，隨著氣泡數(shù)量的增加，氣穴會由片狀形態(tài)最終發(fā)展為氣泡云。