轉套式配流系統配流口與泵腔空化特性對比分析

孫澤豪　張洪信　趙清海　姜曉天

摘要：針對配流系統中存在的空化現象，本文主要對轉套式配流口和泵腔空化特性進行對比分析。采用Fluent對系統進行流體動力學仿真計算，并采用Singhal空化理論模型，在相同轉速、相同入口壓力和相同負載壓力條件下，對配流口和泵腔的空化氣體體積分布云圖、平均氣體體積分數曲線圖以及速度矢量圖進行對比分析。研究結果表明，配流口內平均氣體體積分數整體小于泵腔，且最大體積分數出現時間較早、整個空化過程持續時間短;另外，在配流口和泵腔內會出現渦流，而且隨著渦流加劇，空化現象也更嚴重，說明配流口作為兩個不同壓力場之間的連接部分，空化程度沒有低壓區域劇烈，其中一個原因是高壓區會抑制空化現象，另外則是高壓區和低壓區連通后低壓區內會產生劇烈渦流，導致低壓區局部壓力降低。該研究為后期系統結構優化提供了理論依據。

關鍵詞：轉套式配流系統; 空化; 平均氣體體積分數; Fluent仿真

中圖分類號： TH137.51文獻標識碼： A

文章編號： 1006-9798（2020）02-0091-06; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.014

轉套式配流系統利用往復柱塞泵柱塞固有的往復直線運動，驅動配流套單向轉動，實現配流，克服了閥式配流系統在結構、壓力損失、成本、容積效率等方面的弊端[1]。目前，關于轉套式配流系統的研究還比較少，徐威等人[2-3]完成了轉套式配流系統的參數化設計和虛擬樣機設計，并探討了轉套的3種凸輪槽型線與轉套運動的關系;張延君等人[4-10]以水為工作流質對往復柱塞泵轉套式配流系統泵內的非定常流動進行仿真，確定了配流口、減振槽結構及最佳閉死角;姜曉天等人[11]以isight為優化設計框架，搭建了系統設計優化平臺，完成了對U型減振槽的結構優化;程前昌等人[12-13]將轉套式配流系統與閥式配流系統在體積結構、壓力脈動和容積效率3個方面進行對比研究，并確定線性凸輪槽型線性能最優。前期工作對轉套式配流系統結構和空化特性進行了系統研究，基本奠定了配流系統設計分析的理論基礎，但如果要深入全面地優化配流系統結構，還需對配流口與泵腔的空化特性重點把握，這也是了解配流系統工作特性的需要。基于此，本文主要對轉套式配流系統的配流口和泵腔的空化特性進行對比分析，并分析了渦流對氣體體積分數的影響。研究結果表明，泵腔中的渦流現象非常明顯，具有覆蓋面積大、入口流速高和渦流方向單一的特點，而且渦流產生時會降低局部壓力，壓力的降低又是空化氣泡產生的催化條件，這說明泵腔內的空化現象比配流口處更劇烈。該研究為系統結構優化提供了有效的理論依據。

1空化原因分析及理論模型介紹

1.1空化產生原因

轉套式配流系統工作時，配流口和泵腔在吸油、排油過程中壓力會不斷變化，尤其在吸油起始階段，泵腔內部會出現較低壓力，當壓力低于油液的最高空化壓力時，明顯發生空化現象，產生影響系統工作性能的空化氣體。尤其在進油起始階段，配流口處和泵腔內極易產生渦流，在渦流中心區壓力較低，易達到空化的臨界壓力，產生氣泡。轉套式配流系統的結構原理如圖1所示，其具體工作過程在此不再贅述。

1.2空化理論模型

Singhal空化理論模型[14-18]考慮了湍流壓力波動、氣泡運動、液體表面張力及不可凝氣體質量分數等方面對氣相變化的影響，在考慮影響空化因素方面較為全面，適合進行液體空化仿真精確計算。根據經驗，轉套式配流系統空化分析采用Singhal空化理論模型最為合理，該模型考慮湍流波動及永久性氣體影響，并以局部湍動能的平方根代替特征速度，得到氣液傳質的蒸發率se、冷凝率sc分別為

式中，ce和cc為推薦經驗系數，ce=0.02，cc=0.01;k為局部湍動能平方根;σ為液體表面張力系數，σ=0.03 N/m;ρl為液相密度，ρl=865 kg/m3;ρv為氣相密度，ρv=0.476 9 kg/m3;fv為蒸汽質量分數;fg為永久性氣體質量分數;p是液體壓力;pv是飽和蒸汽壓力，pv=400 Pa;p′v為發生湍流條件下的飽和蒸汽壓力。發生湍流條件下的飽和蒸汽壓力為

2空化氣體分布變化過程比較分析

2.1配流口內部空化氣體分析

在配流口周期性轉動過程中，空化氣泡不斷地產生又潰滅，其位置及數量不固定，難以準確監測，但可以通過監測宏觀氣體體積分數，得知空化氣體的位置分布及空化現象的劇烈程度。

在第1工作周期0.011～0.016 s的時間范圍內，配流口空化氣體體積分布云圖如圖2所示。其中，t為工作時間，θ為轉套轉角。由圖2可以看出，吸油起始階段，配流口內部整體都出現一定程度的空化現象，大部分區域氣體體積分數在20%以下，且分布較為均勻;隨著吸油過程進行，配流口各區域氣體體積分數有增大趨勢，逐漸由底部區域向上擴散;隨著吸油過程繼續進行，頂部區域空化氣體逐漸溶入到油液中，而底部區域氣體體積的質量分數則較高，主要集中在配流口內側與泵腔接通部分及外側與進油腔通流區域;進入穩定的吸油階段后，配流口內空化氣體便會逐漸消失。

由于對配流口各區域的空化程度無法進行量化分析，因此可以通過監測配流口處平均氣體體積分數隨時間及轉套轉角的變化，可以知到空化劇烈程度及變化情況，配流口內平均氣體體積分數如圖3所示。由圖3可以看出，配流口空化現象呈周期性循環，且主要集中在每個周期的吸油起始階段。以第1個工作周期為例，開始時平均氣體體積分數達到23%左右，隨著柱塞移動，流場內真空度降低，氣泡在高壓條件下迅速潰滅，平均氣體體積分數呈下降趨勢，直到最后空化氣體全部溶于油液中，這時配流口處空化現象消失，單個周期內空化時間約占15%左右。

2.2泵腔內部空化氣體分析

泵腔是整個配流系統的工作容腔，其中壓力反復變化，易出現空化氣體，因此在仿真中，同樣利用監測氣體體積分數的方法來研究泵腔內空化氣體的分布及變化情況[19-20]。

在第1工作周期0.011～0.016 s的時間范圍內，泵腔內空化氣體體積分布云圖如圖4所示。其中，t為工作時間，θ為轉套轉角。由圖4可以看出，在周期開始階段，隨著柱塞上移，氣體體積分數逐漸增大，說明空化程度在增加，明顯的是通流區域邊緣氣體含量普遍較高，且梯度較大，其他區域氣體含量則較低，且均勻。隨著吸油過程的繼續進行，泵腔后部及通流中心區域氣體逐漸溶解，氣體體積分數接近于0，而空化氣體則主要集中在泵腔靠近配流口方向的前半部分。隨著通流面積逐漸增大及吸油過程穩定后，泵腔內空化氣體會逐漸消失。

泵腔內平均氣體體積分數如圖5所示，由圖5可以看出，吸油起始時，泵腔內真空度較大，壓力極低，空化氣體大量產生并迅速增加，而隨著配流口通流面積的增大，油液吸入量逐漸增加，泵腔內壓力穩定上升，空化氣泡開始潰滅，同時泵腔內容積隨柱塞移動不斷增大，平均氣體體積分數不斷下降，直到最后空化氣泡全部溶于油液中，平均氣體體積分數降為0。泵腔內空化持續時間約占單個工作周期的20%左右。

對比圖3和圖5可以看出，配流口內平均氣體體積分數整體小于泵腔;最大體積分數出現時間較早，整個空化過程持續時間短;配流系統工作過程中配流口內空化程度小于泵腔。這是由于配流口介于泵腔與吸油腔之間，開始吸油時其內部真空度受泵腔影響并隨之變化，吸油過程中配流口與進油腔直接接通，相比于泵腔而言首先受到吸入油液的影響，導致配流口內壓力最先上升，對空化現象起到抑制作用，因而其整體空化程度相對較弱，且空化時長小于泵腔。

2.3渦流對氣體體積分數的影響

仿真發現，渦流現象也是導致吸油起始階段氣體體積分數劇增的一個重要原因，當時間為0.024 s時，柱塞泵工作在吸油初始階段，配流口和泵腔速度矢量俯視圖如圖6所示，配流口和泵腔速度矢量側視圖如圖7所示。由圖6和圖7可以看出，配流口和泵腔連接處產生了渦流，而且泵腔內的渦流現象更加劇烈;當時間為0.06 s時，柱塞泵工作在吸油階段和排油階段之間的穩定階段，配流口和泵腔速度矢量俯視圖如圖8所示，配流口和泵腔速度矢量側視圖如圖9所示。由于泵腔內渦流現象更劇烈，故泵腔內平均氣體體積分數峰值比配流口處高出近1倍。

由圖6～圖9可以看出，吸油初始階段，泵腔和配流口都有渦流產生，而且泵腔內的渦流現象尤其明顯;而穩定階段的流質則具有流動速度小、速度平均、無明顯集中方向的特點。可以認為氣體體積分數高，反映了空化現象較強，結合不同階段速度矢量圖的結果，說明渦流會引發空化現象，這與渦流中心區的壓力降低有直接關系，壓力降低到臨界空化壓力值以下便會引發空化現象。

3結束語

本文主要對轉套式配流系統進行流體動力學仿真分析，著重關注配流口和泵腔處的空化特性表現。設定流動介質為油液，通過監測局部氣體體積分數曲線圖，判斷出各處的空化反應發生程度，又通過觀察氣體體積分布云圖，立體地了解空化氣體的位置分布。研究結果表明，泵腔中的空化現象從產生氣體相對量、持續時間和氣體產生速度方面分析，其劇烈程度都比配流口更高，而空化氣泡的產生對系統的工作穩定性、可靠性以及工作效率的影響都會比較大。對比泵腔吸油開始階段配流口和泵腔的速度矢量圖發現，泵腔中的渦流現象非常明顯，具有覆蓋面積大、入口流速高、渦流方向單一的特點，渦流產生時會降低局部壓力，壓力降低又是空化氣泡產生的催化條件，這也解釋了為什么泵腔內的空化現象會比配流口處更劇烈。該研究為后期系統結構優化提供了有效的方向及依據。

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Comparative Analysis of Cavitation Characteristics Between Distribution Port and Pump Chamber in Rotary Sleeve Distribution System

SUN Zehao， ZHANG Hongxin， ZHAO Qinghai， JIANG Xiaotian

（Power Integration and Energy Storage System Engineering Technology Center of Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：In the distribution system， cavitation has an important influence on the system's working efficiency， working noise and working life. The pump chamber and the distribution port are the main places where the working medium of the rotary sleeve distribution system changes and the pressure changes frequently， so cavitation is easy to occur here. The purpose of this paper is to compare the difference between the cavitation characteristics of the distribution port and the pump chamber and explore the reasons. Fluent was used for fluid dynamics simulation calculation of the system， and Singhal cavitation theoretical model was adopted. The cavitation gas volume distribution cloud diagram， the average gas volume fraction curve and the velocity vector diagram were compared under the same speed， the same inlet pressure and the same load pressure. The results show that the average gas volume fraction in the distribution port is smaller than that in the pump chamber， and the maximum volume fraction appears earlier and the whole cavitation process lasts shorter. In addition， vortex will appear in the distribution port and pump chamber， and the cavitation phenomenon will be more serious as the vortex intensifies. The above description shows that the degree of cavitation in the distribution port as the connection between two different pressure fields is not as severe as in the low pressure region. One of the reasons is that the high pressure region will suppress the cavitation phenomenon. This research provides a theoretical basis for the optimization of the later system structure.

Key words：rotary sleeve distribution system; cavitation; average gas volume fraction; Fluent Simulation

收稿日期： 2019-10-21; 修回日期： 2019-11-18

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（51575286）

作者簡介： 孫澤豪（1996-），男，碩士研究生，主要研究方向為車輛新型動力傳動技術及其電子化。

通信作者： 張洪信（1969-），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為車輛新型動力傳動技術。Email： qduzhx@126.com