胡建軍 孔祥東,2 侯冠男 俞 濱 權(quán)凌霄,2
1.燕山大學(xué),秦皇島,0660042.先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室(燕山大學(xué)),秦皇島,066004
刀尖角容腔對(duì)直角轉(zhuǎn)彎流道液流特性影響的PIV試驗(yàn)研究
胡建軍1孔祥東1,2侯冠男1俞濱1權(quán)凌霄1,2
1.燕山大學(xué),秦皇島,0660042.先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室(燕山大學(xué)),秦皇島,066004
針對(duì)液壓集成塊典型的直角轉(zhuǎn)彎流道結(jié)構(gòu),搭建了一個(gè)低速流場(chǎng)可視化測(cè)量試驗(yàn)臺(tái),采用2D-PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了6種帶有不同刀尖角容腔的直角轉(zhuǎn)彎流道流場(chǎng)的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明:在刀尖角容腔和直角轉(zhuǎn)彎出流管段內(nèi)拐角處分別出現(xiàn)渦流,前者渦流尺度隨容腔長(zhǎng)度的增加而增大,后者渦流尺度則與容腔長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。分析了刀尖角容腔長(zhǎng)度及與進(jìn)出口相對(duì)位置的關(guān)系對(duì)直角轉(zhuǎn)彎流道液流特性的影響,發(fā)現(xiàn)出流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)的流動(dòng)損失更小。研究結(jié)果為集成塊內(nèi)部轉(zhuǎn)彎流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)參考。
直角轉(zhuǎn)彎流道;PIV;刀尖角容腔;液流特性
集成塊作為液壓系統(tǒng)的重要部件對(duì)系統(tǒng)的多項(xiàng)性能參數(shù)均具有重要影響,因此一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的發(fā)展,已有一些學(xué)者利用CFD技術(shù)對(duì)集成塊內(nèi)部流道的液流特性開展研究。田樹軍等[1]、Feng等[2]、張宏等[3]應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)液壓集成塊內(nèi)部典型流道流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究,提出從液流特性的角度對(duì)液壓集成塊內(nèi)部流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。杜經(jīng)民等[4]利用CFD方法對(duì)實(shí)際工況下液壓集成塊內(nèi)復(fù)雜流道進(jìn)行建模和仿真,分析了影響液壓集成塊壓力損失的主要因素及液壓集成塊內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)與液流流動(dòng)特性的關(guān)系。袁昌耀等[5]針對(duì)工程中常用的液壓集成塊,運(yùn)用數(shù)值手段分析了偏心距、工藝孔直徑和流向等參數(shù)對(duì)閥塊流道流場(chǎng)特性的影響。高殿榮等[6-7]對(duì)帶有直角轉(zhuǎn)向的流道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了集成塊流道內(nèi)部能量損失的大小、位置及原因,提出減少轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和工藝孔容腔的數(shù)目是降低集成塊內(nèi)部能量損失的有效手段。林義忠等[8]針對(duì)工程實(shí)際中三種典型直角轉(zhuǎn)彎流道,利用Fluent軟件對(duì)其壓力損失特性進(jìn)行對(duì)比分析,采用最小二乘法擬合得到了正交無(wú)工藝孔容腔直角孔道的局部阻力系數(shù)與流道流速的關(guān)系式。許同樂[9]對(duì)直角彎管流道流場(chǎng)進(jìn)行有限體積法數(shù)值模擬,得到了直角彎管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。
近年來(lái),隨著粒子成像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry, PIV)的發(fā)展和成熟化,已經(jīng)開始有學(xué)者利用該技術(shù)對(duì)液壓元件內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量分析。謝龍等[10]利用PIV技術(shù)對(duì)閥體后90°圓截面彎管的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,獲取了不同來(lái)流速度下的彎管瞬態(tài)流場(chǎng)。高殿榮等[11]利用有限元法和PIV技術(shù)對(duì)三種不同開口度下進(jìn)口節(jié)流滑閥的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和PIV可視化研究。
由于液壓集成塊內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)形式繁多、流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜且難于直接測(cè)量,因此針對(duì)集成塊流道流場(chǎng)測(cè)量的試驗(yàn)研究尚不多見,尤其是利用PIV技術(shù)對(duì)存在刀尖角容腔的直角轉(zhuǎn)彎流道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量的研究還未見報(bào)道。基于此,本文搭建了一個(gè)低速閥塊流道流場(chǎng)可視化測(cè)試試驗(yàn)臺(tái),運(yùn)用2D-PIV技術(shù)對(duì)6種不同刀尖角結(jié)構(gòu)的流道中心截面的平面流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,分析了刀尖角容腔的結(jié)構(gòu)對(duì)流道液流特性的影響。
1.1直角轉(zhuǎn)彎流道流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)
為了獲得刀角容腔結(jié)構(gòu)如長(zhǎng)度和位置對(duì)直角轉(zhuǎn)彎流道液流特性的影響,搭建了一個(gè)重力驅(qū)動(dòng)的低速閥塊流道流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)臺(tái),如圖1所示。該系統(tǒng)主要由高位水箱、進(jìn)出水管道、可調(diào)式節(jié)流閥、直角轉(zhuǎn)彎流道閥塊組、閥塊專用夾具以及PIV流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)等組成。

圖1 流道閥塊測(cè)速試驗(yàn)臺(tái)
由于原型閥塊流道的尺寸較小,管道曲率較大,管壁界面處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的折射和散射效應(yīng),增加了測(cè)量的難度,為便于測(cè)量,需將閥塊流道尺寸進(jìn)行適當(dāng)放大。同時(shí),考慮到如果采用液壓油作為流動(dòng)介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)示蹤粒子抱團(tuán)凝聚的現(xiàn)象,示蹤粒子很難布撒均勻,因此試驗(yàn)中采用水作為流動(dòng)介質(zhì)。為了保證放大后試驗(yàn)閥塊流道流場(chǎng)的特性與原型閥塊流道流場(chǎng)特征相同,試驗(yàn)閥塊流道幾何參數(shù)及工作參數(shù)需經(jīng)過(guò)雷諾相似計(jì)算確定。
雷諾相似準(zhǔn)則為
(1)
式中,ρ為密度;l為特征長(zhǎng)度,本文中指的是流道直徑;v為流體速度,本文中指的是流道進(jìn)口流速;μ為流體動(dòng)力黏度;下標(biāo)p、m分別表示原型閥塊、試驗(yàn)閥塊。
定義:
式中,kρ為密度比例系數(shù);kv為速度比例系數(shù);kl為長(zhǎng)度比例系數(shù);kμ為黏度比例系數(shù)。
將上述定義參數(shù)代入式(1)并整理得
(2)
在式(2)的限制下,根據(jù)原型閥塊的幾何及工作參數(shù),計(jì)算得到試驗(yàn)閥塊參數(shù),結(jié)果如表1所示。由于試驗(yàn)中流道平均流速僅為0.067 m/s,因此采用高位水箱依靠重力驅(qū)動(dòng)介質(zhì)在閥塊中流動(dòng)。試驗(yàn)中采用量筒和秒表確定通過(guò)閥塊的體積流量。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn),在一定的液位高度范圍和節(jié)流閥口開度下,能夠保證在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量,試驗(yàn)中閥塊流量控制在1.4 L/min左右,對(duì)應(yīng)的閥塊入口平均流速約為0.067 m/s。試驗(yàn)之前,在水箱中均勻布撒一定濃度的平均直徑為20 μm的聚苯乙烯作示蹤粒子。

表1 實(shí)際閥塊參數(shù)與試驗(yàn)?zāi)P蛥?shù)選取
1.2直角轉(zhuǎn)彎流道試驗(yàn)閥塊

(a)L=0

(b)L=20%D

(c)L=50%D圖2 入流方向正對(duì)刀尖角流道模型的試驗(yàn)閥塊照片

(a)L=0

(b)L=20%D

(c)L=50%D圖3 出流方向正對(duì)刀尖角流道模型試驗(yàn)閥塊照片
試驗(yàn)閥塊采用透明有機(jī)玻璃加工而成,該種材料透明度高,有利于激光透射照亮示蹤粒子。閥塊背面做黑化處理,目的是形成白亮粒子和黑色背景的鮮明對(duì)比,以增加軟件判讀的準(zhǔn)確性。工程實(shí)際中的直角轉(zhuǎn)彎流道多采用鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等方式加工而成,加工時(shí)鉆頭不可避免地會(huì)在流道末端形成一段刀尖角區(qū)域,而該刀尖角區(qū)域的位置和長(zhǎng)度會(huì)對(duì)直角轉(zhuǎn)彎流道的液流特性產(chǎn)生重要影響。本試驗(yàn)根據(jù)刀尖角容腔位置和長(zhǎng)度的不同,確定了6種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)閥塊,如圖2、圖3所示,其中L、D分別為工藝孔長(zhǎng)度和直徑。6種結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是入流和出流孔道直徑D同為21 mm,兩孔道正交且軸線處在同一個(gè)平面內(nèi),即無(wú)偏心,進(jìn)出口水平距離、垂直距離分別為120 mm、60 mm。由于流體通過(guò)轉(zhuǎn)彎時(shí)的影響主要集中在彎頭下游流場(chǎng),因此出流管段長(zhǎng)度長(zhǎng)于入流管段長(zhǎng)度。
1.32D-PIV系統(tǒng)
本文采用的2D-PIV系統(tǒng)由單個(gè)CCD照相機(jī)、激光片光源系統(tǒng)、信號(hào)同步器以及Dynamic Studio V2.3軟件構(gòu)成。其中,CCD照相機(jī)、信號(hào)同步器及Dynamic Studio軟件系統(tǒng)均由丹麥的Dantec公司生產(chǎn)和開發(fā),CCD照相機(jī)(Dantec FlowSense Infinity X-32)分辨率為1600 pixel×1200 pixel,相機(jī)前配有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的60 mm 尼康光學(xué)鏡頭及濾光片。激光片光由Beamtech公司生產(chǎn)的Vlite-Extra 雙諧振脈沖Nd:YAG固體激光器產(chǎn)生,激光器輸出激光波長(zhǎng)為532 nm,雙幀模式(double frame mode)下的最大觸發(fā)頻率為15 Hz,單個(gè)脈沖的最大能量為120 mJ,脈沖光采用Q-switch觸發(fā)方式獲得,脈沖寬度為6~8 ns,跨幀時(shí)間可達(dá)微秒級(jí),具體數(shù)值需根據(jù)試驗(yàn)工況調(diào)定,最窄光腰厚度約為1 mm,最大視場(chǎng)可達(dá)200 mm×200 mm。信號(hào)同步器用于控制CCD照相機(jī)和激光片光源的觸發(fā)延遲。Dynamic Studio軟件系統(tǒng)用于控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程、設(shè)置采集參數(shù)并對(duì)原始粒子圖像進(jìn)行結(jié)果后處理。
1.4PIV系統(tǒng)調(diào)試
在正式進(jìn)行PIV測(cè)量試驗(yàn)之前,需要對(duì)PIV光路系統(tǒng)各元件位置的布置、跨幀時(shí)間(time between pulses)的選取做精細(xì)考慮。
按照2D-PIV測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模型、相機(jī)和激光頭三者的位置關(guān)系的要求,本文測(cè)量的流場(chǎng)區(qū)域?yàn)榱鞯赖闹行膶?duì)稱面,選擇流道與外壁最薄面作為激光入射面,綜合調(diào)整激光頭、CCD相機(jī)位置及流道閥塊擺放姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)對(duì)流道中心對(duì)稱面流場(chǎng)的測(cè)量,其中一種光路布置方案及原始粒子圖像如圖4所示。在測(cè)量區(qū)域確定之后,對(duì)PIV系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,由于本次試驗(yàn)為2D-PIV測(cè)量,因此采用刻度尺對(duì)其進(jìn)行二維標(biāo)定。

(a)激光片光中模型拍攝面(b)待測(cè)平面原始粒子圖圖4 流道模型測(cè)量平面圖
試驗(yàn)中跨幀時(shí)間的選取對(duì)能否處理出準(zhǔn)確的流場(chǎng)矢量圖至關(guān)重要,一般要求前后兩次曝光圖像中示蹤粒子的位移為查問(wèn)區(qū)域(32 pixel×32 pixel)邊長(zhǎng)的1/3~1/2,即跨幀時(shí)間的設(shè)置既與流場(chǎng)速度有關(guān),又與查問(wèn)區(qū)域大小有關(guān)。依據(jù)文獻(xiàn)[12]中的跨幀時(shí)間Δt的確定方法(Δtvmax=250,其中Δt、vmax的單位分別為μs、m/s),經(jīng)計(jì)算與反復(fù)試驗(yàn),本文試驗(yàn)采用的跨幀時(shí)間Δt=4150 μs。
本文采用Dantec公司開發(fā)的自適應(yīng)關(guān)聯(lián)算法(adaptive-correlation)對(duì)原始雙曝光粒子圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)分析過(guò)程中查問(wèn)區(qū)域設(shè)置為32 pixel×32 pixel,重疊率25%,觸發(fā)頻率取激光系統(tǒng)的最大工作頻率15 Hz,即每秒獲得15對(duì)圖片,后文的流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果均為對(duì)30對(duì)原始圖像處理后的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果,即反映的是時(shí)均流場(chǎng)。
本試驗(yàn)分別對(duì)2種類型、6種不同結(jié)構(gòu)形式的直角轉(zhuǎn)彎流道流場(chǎng)進(jìn)行了PIV測(cè)量,圖5、圖6分別匯總了入流口速度為0.067 m/s時(shí)的流道中心對(duì)稱平面測(cè)量結(jié)果,圖中的矢量圖、云圖及流線圖均為原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Tecplot軟件后處理得到。

(a)L=0的矢量圖 (b)L=20%D的矢量圖(c)L=50%D的矢量圖

(d)L=0的速度和流線 (e)L=20%D的速度和流線(f)L=50%D的速度和流線圖5 入流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)轉(zhuǎn)彎流道PIV流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果
圖5所示為入流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)直角轉(zhuǎn)彎流道中心對(duì)稱平面的時(shí)均流場(chǎng)。觀察各圖可知,流體在入流孔道直線段的流動(dòng)狀態(tài)比較一致,說(shuō)明刀尖角容腔對(duì)入流段的流場(chǎng)影響很小,因此入流段取較小的長(zhǎng)度是合適的。在流體經(jīng)過(guò)直角轉(zhuǎn)彎進(jìn)入出流段的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩處渦流。其中一處產(chǎn)生在刀尖角容腔,對(duì)比發(fā)現(xiàn)渦流的尺度隨刀尖角容腔長(zhǎng)度的增加而增大。此處渦流形成的原因是當(dāng)液流由直線段進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段時(shí),由于自身慣性作用,有進(jìn)入刀尖角容腔的趨勢(shì),但由于容腔本身已經(jīng)被流體占據(jù),因此入流流體受到阻礙而轉(zhuǎn)向出流段,但流體在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中,由于黏性作用,不可避免地對(duì)容腔內(nèi)流體產(chǎn)生持續(xù)的、單向的黏性切應(yīng)力,在此切應(yīng)力的作用下,容腔內(nèi)流體發(fā)生強(qiáng)烈的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),即渦流。旋轉(zhuǎn)流體通過(guò)與固體壁面的摩擦以及旋轉(zhuǎn)流體自身的黏性摩擦將流體的動(dòng)能最終耗散為熱,這是造成直角轉(zhuǎn)彎流動(dòng)損失重要因素之一。
另一處渦流發(fā)生在直角轉(zhuǎn)彎后的出流管段內(nèi)拐角處,此處渦流屬于典型的流體過(guò)彎二次流,流體在過(guò)彎時(shí)由于自身慣性作用,不能隨著轉(zhuǎn)彎管道發(fā)生突然轉(zhuǎn)向,導(dǎo)致在過(guò)彎時(shí)流體的流線開始與內(nèi)拐角壁面分離,由此會(huì)造成分離損失。觀察過(guò)彎后的流動(dòng)分離線可知,分離線位置基本不隨刀尖角容腔長(zhǎng)度的變化而改變,說(shuō)明此處的渦流強(qiáng)度與刀尖角容腔的長(zhǎng)度基本無(wú)關(guān),即產(chǎn)生的流動(dòng)損失與刀尖角容腔長(zhǎng)度基本無(wú)關(guān)。綜上,減小刀尖角容腔長(zhǎng)度能夠降低刀尖角容腔的渦流損失,而對(duì)過(guò)彎二次流造成的流動(dòng)損失基本沒有影響。

(a)L=0的矢量圖 (b)L=20%D的矢量圖(c)L=50%D的矢量圖

(d)L=0的速度和流線 (e)L=20%D的速度和流線(f)L=50%D的速度和流線圖6 出流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)轉(zhuǎn)彎流道PIV流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果
圖6所示為出流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)直角轉(zhuǎn)彎流道中心對(duì)稱面的時(shí)均流場(chǎng),其流動(dòng)形式與上述情形類似,也存在兩處典型的渦流區(qū),同樣地,刀尖角容腔內(nèi)的渦流強(qiáng)度隨容腔長(zhǎng)度的增加而增大,過(guò)彎二次流的渦流強(qiáng)度與刀尖角容腔長(zhǎng)度基本無(wú)關(guān)。但從刀尖角容腔渦流形成機(jī)理來(lái)講兩者略有不同,觀察可知,在此種結(jié)構(gòu)形式下,入流管段過(guò)來(lái)的流體因?yàn)橹苯記_擊固體壁面受到阻擋而轉(zhuǎn)彎,不同于上述情形中受到容腔內(nèi)流體阻擋而轉(zhuǎn)彎,因而主流流體從側(cè)面掠過(guò)刀尖角容腔流體而并非直接沖擊,從而對(duì)刀尖角容腔中流體的黏性切應(yīng)力要小于上述情形,渦流強(qiáng)度及渦流造成的流動(dòng)損失也要小于上述情形,這說(shuō)明在同樣刀尖角容腔長(zhǎng)度下,出流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)的流動(dòng)損失會(huì)小一些。
(1)帶有刀尖角容腔的直角轉(zhuǎn)彎流道中存在兩處顯著渦旋,分別位于刀尖角容腔和直角轉(zhuǎn)彎出流管段內(nèi)拐角處。
(2)刀尖角容腔與進(jìn)出口相對(duì)位置關(guān)系不影響直角轉(zhuǎn)彎流道的基本流動(dòng)形式,但會(huì)對(duì)其中渦流形成機(jī)理及渦流尺度產(chǎn)生影響,出流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)的流動(dòng)損失要小一些。
(3)減小刀尖角容腔長(zhǎng)度,可以有效降低尖角容腔的渦流損失,但對(duì)過(guò)彎二次流的流動(dòng)損失基本無(wú)影響。
(4)從減小流動(dòng)損失、降低輸配能耗的角度看,集成塊流道設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小刀尖角容腔的長(zhǎng)度,同時(shí)盡量選用出流方向正對(duì)刀尖角容腔的直角轉(zhuǎn)彎形式。
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(編輯郭偉)
Experimental Investigation of Flow Characteristics of Right-Angle Turn with Different Tool Included Cavity Using PIV Technique
Hu Jianjun1Kong Xiangdong1,2Hou Guannan1Yu Bin1Quan lingxiao1,2
1.Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science,Ministry of Education of China(Yanshan University),Qinhuangdao,Hebei,066004
This paper aimed to investigate the flow field characteristics of right-angle turn channel with different tool included cavities in the typical hydraulic manifold block. A low-speed visualization test rig was developed and the flow field of right-angle turn channel with six kinds tool included cavities was measured using 2D-PIV technique. It is found that two vortices appear in the tool included cavity and the inner corner of outlet section respectively. The vortex in the tool included cavity increases with increasing of the cavity length, the vortex in the inner corner of outlet section has nothing to do with the length of cavity. Then, the effects of length and position of the tool included cavity on flow characteristics of right-angle turn channel were analyzed and found that the arrangement of the tool included cavity opposite to the outlet direction is more advantageous. This study provides design reference for the structure improvement of flow passage in the hydraulic manifold block.
right-angle turn channel;PIV;tool included cavity;flow characteristics
2013-11-06
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB046405);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375423);河北省重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(12962147D);河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金資助項(xiàng)目(QN20131031);燕山大學(xué)青年教師自主研究計(jì)劃課題理工A類項(xiàng)目(14LGA014)
TH137DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2015.07.015
胡建軍,男,1982年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生,燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院講師。研究方向?yàn)樾滦鸵簤涸鲌?chǎng)仿真與試驗(yàn)。孔祥東,男,1959年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。侯冠男,女,1988年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。俞濱,男,1985年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。權(quán)凌霄,男,1976年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。