转套式配流系统配流口与泵腔空化特性对比分析

孙泽豪　张洪信　赵清海　姜晓天

摘要：针对配流系统中存在的空化现象，本文主要对转套式配流口和泵腔空化特性进行对比分析。采用Fluent对系统进行流体动力学仿真计算，并采用Singhal空化理论模型，在相同转速、相同入口压力和相同负载压力条件下，对配流口和泵腔的空化气体体积分布云图、平均气体体积分数曲线图以及速度矢量图进行对比分析。研究结果表明，配流口内平均气体体积分数整体小于泵腔，且最大体积分数出现时间较早、整个空化过程持续时间短;另外，在配流口和泵腔内会出现涡流，而且随着涡流加剧，空化现象也更严重，说明配流口作为两个不同压力场之间的连接部分，空化程度没有低压区域剧烈，其中一个原因是高压区会抑制空化现象，另外则是高压区和低压区连通后低压区内会产生剧烈涡流，导致低压区局部压力降低。该研究为后期系统结构优化提供了理论依据。

关键词：转套式配流系统; 空化; 平均气体体积分数; Fluent仿真

中图分类号： TH137.51文献标识码： A

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

转套式配流系统利用往复柱塞泵柱塞固有的往复直线运动，驱动配流套单向转动，实现配流，克服了阀式配流系统在结构、压力损失、成本、容积效率等方面的弊端[1]。目前，关于转套式配流系统的研究还比较少，徐威等人[2-3]完成了转套式配流系统的参数化设计和虚拟样机设计，并探讨了转套的3种凸轮槽型线与转套运动的关系;张延君等人[4-10]以水为工作流质对往复柱塞泵转套式配流系统泵内的非定常流动进行仿真，确定了配流口、减振槽结构及最佳闭死角;姜晓天等人[11]以isight为优化设计框架，搭建了系统设计优化平台，完成了对U型减振槽的结构优化;程前昌等人[12-13]将转套式配流系统与阀式配流系统在体积结构、压力脉动和容积效率3个方面进行对比研究，并确定线性凸轮槽型线性能最优。前期工作对转套式配流系统结构和空化特性进行了系统研究，基本奠定了配流系统设计分析的理论基础，但如果要深入全面地优化配流系统结构，还需对配流口与泵腔的空化特性重点把握，这也是了解配流系统工作特性的需要。基于此，本文主要對转套式配流系统的配流口和泵腔的空化特性进行对比分析，并分析了涡流对气体体积分数的影响。研究结果表明，泵腔中的涡流现象非常明显，具有覆盖面积大、入口流速高和涡流方向单一的特点，而且涡流产生时会降低局部压力，压力的降低又是空化气泡产生的催化条件，这说明泵腔内的空化现象比配流口处更剧烈。该研究为系统结构优化提供了有效的理论依据。

1空化原因分析及理论模型介绍

1.1空化产生原因

转套式配流系统工作时，配流口和泵腔在吸油、排油过程中压力会不断变化，尤其在吸油起始阶段，泵腔内部会出现较低压力，当压力低于油液的最高空化压力时，明显发生空化现象，产生影响系统工作性能的空化气体。尤其在进油起始阶段，配流口处和泵腔内极易产生涡流，在涡流中心区压力较低，易达到空化的临界压力，产生气泡。转套式配流系统的结构原理如图1所示，其具体工作过程在此不再赘述。

1.2空化理论模型

Singhal空化理论模型[14-18]考虑了湍流压力波动、气泡运动、液体表面张力及不可凝气体质量分数等方面对气相变化的影响，在考虑影响空化因素方面较为全面，适合进行液体空化仿真精确计算。根据经验，转套式配流系统空化分析采用Singhal空化理论模型最为合理，该模型考虑湍流波动及永久性气体影响，并以局部湍动能的平方根代替特征速度，得到气液传质的蒸发率se、冷凝率sc分别为

式中，ce和cc为推荐经验系数，ce=0.02，cc=0.01;k为局部湍动能平方根;σ为液体表面张力系数，σ=0.03 N/m;ρl为液相密度，ρl=865 kg/m3;ρv为气相密度，ρv=0.476 9 kg/m3;fv为蒸汽质量分数;fg为永久性气体质量分数;p是液体压力;pv是饱和蒸汽压力，pv=400 Pa;p′v为发生湍流条件下的饱和蒸汽压力。发生湍流条件下的饱和蒸汽压力为

2空化气体分布变化过程比较分析

2.1配流口内部空化气体分析

在配流口周期性转动过程中，空化气泡不断地产生又溃灭，其位置及数量不固定，难以准确监测，但可以通过监测宏观气体体积分数，得知空化气体的位置分布及空化现象的剧烈程度。

在第1工作周期0.011～0.016 s的时间范围内，配流口空化气体体积分布云图如图2所示。其中，t为工作时间，θ为转套转角。由图2可以看出，吸油起始阶段，配流口内部整体都出现一定程度的空化现象，大部分区域气体体积分数在20%以下，且分布较为均匀;随着吸油过程进行，配流口各区域气体体积分数有增大趋势，逐渐由底部区域向上扩散;随着吸油过程继续进行，顶部区域空化气体逐渐溶入到油液中，而底部区域气体体积的质量分数则较高，主要集中在配流口内侧与泵腔接通部分及外侧与进油腔通流区域;进入稳定的吸油阶段后，配流口内空化气体便会逐渐消失。

由于对配流口各区域的空化程度无法进行量化分析，因此可以通过监测配流口处平均气体体积分数随时间及转套转角的变化，可以知到空化剧烈程度及变化情况，配流口内平均气体体积分数如图3所示。由图3可以看出，配流口空化现象呈周期性循环，且主要集中在每个周期的吸油起始阶段。以第1个工作周期为例，开始时平均气体体积分数达到23%左右，随着柱塞移动，流场内真空度降低，气泡在高压条件下迅速溃灭，平均气体体积分数呈下降趋势，直到最后空化气体全部溶于油液中，这时配流口处空化现象消失，单个周期内空化时间约占15%左右。

2.2泵腔内部空化气体分析

泵腔是整个配流系统的工作容腔，其中压力反复变化，易出现空化气体，因此在仿真中，同样利用监测气体体积分数的方法来研究泵腔内空化气体的分布及变化情况[19-20]。

在第1工作周期0.011～0.016 s的时间范围内，泵腔内空化气体体积分布云图如图4所示。其中，t为工作时间，θ为转套转角。由图4可以看出，在周期开始阶段，随着柱塞上移，气体体积分数逐渐增大，说明空化程度在增加，明显的是通流区域边缘气体含量普遍较高，且梯度较大，其他区域气体含量则较低，且均匀。随着吸油过程的继续进行，泵腔后部及通流中心区域气体逐渐溶解，气体体积分数接近于0，而空化气体则主要集中在泵腔靠近配流口方向的前半部分。随着通流面积逐渐增大及吸油过程稳定后，泵腔内空化气体会逐渐消失。

泵腔内平均气体体积分数如图5所示，由图5可以看出，吸油起始时，泵腔内真空度较大，压力极低，空化气体大量产生并迅速增加，而随着配流口通流面积的增大，油液吸入量逐渐增加，泵腔内压力稳定上升，空化气泡开始溃灭，同时泵腔内容积随柱塞移动不断增大，平均气体体积分数不断下降，直到最后空化气泡全部溶于油液中，平均气体体积分数降为0。泵腔内空化持续时间约占单个工作周期的20%左右。

对比图3和图5可以看出，配流口内平均气体体积分数整体小于泵腔;最大体积分数出现时间较早，整个空化过程持续时间短;配流系统工作过程中配流口内空化程度小于泵腔。这是由于配流口介于泵腔与吸油腔之间，开始吸油时其内部真空度受泵腔影响并随之变化，吸油过程中配流口与进油腔直接接通，相比于泵腔而言首先受到吸入油液的影响，导致配流口内压力最先上升，对空化现象起到抑制作用，因而其整体空化程度相对较弱，且空化时长小于泵腔。

2.3涡流对气体体积分数的影响

仿真发现，涡流现象也是导致吸油起始阶段气体体积分数剧增的一个重要原因，当时间为0.024 s时，柱塞泵工作在吸油初始阶段，配流口和泵腔速度矢量俯视图如图6所示，配流口和泵腔速度矢量侧视图如图7所示。由图6和图7可以看出，配流口和泵腔连接处产生了涡流，而且泵腔内的涡流现象更加剧烈;当时间为0.06 s时，柱塞泵工作在吸油阶段和排油阶段之间的稳定阶段，配流口和泵腔速度矢量俯视图如图8所示，配流口和泵腔速度矢量侧视图如图9所示。由于泵腔内涡流现象更剧烈，故泵腔内平均气体体积分数峰值比配流口处高出近1倍。

由圖6～图9可以看出，吸油初始阶段，泵腔和配流口都有涡流产生，而且泵腔内的涡流现象尤其明显;而稳定阶段的流质则具有流动速度小、速度平均、无明显集中方向的特点。可以认为气体体积分数高，反映了空化现象较强，结合不同阶段速度矢量图的结果，说明涡流会引发空化现象，这与涡流中心区的压力降低有直接关系，压力降低到临界空化压力值以下便会引发空化现象。

3结束语

本文主要对转套式配流系统进行流体动力学仿真分析，着重关注配流口和泵腔处的空化特性表现。设定流动介质为油液，通过监测局部气体体积分数曲线图，判断出各处的空化反应发生程度，又通过观察气体体积分布云图，立体地了解空化气体的位置分布。研究结果表明，泵腔中的空化现象从产生气体相对量、持续时间和气体产生速度方面分析，其剧烈程度都比配流口更高，而空化气泡的产生对系统的工作稳定性、可靠性以及工作效率的影响都会比较大。对比泵腔吸油开始阶段配流口和泵腔的速度矢量图发现，泵腔中的涡流现象非常明显，具有覆盖面积大、入口流速高、涡流方向单一的特点，涡流产生时会降低局部压力，压力降低又是空化气泡产生的催化条件，这也解释了为什么泵腔内的空化现象会比配流口处更剧烈。该研究为后期系统结构优化提供了有效的方向及依据。

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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： 国家自然科学基金资助项目（51575286）

作者简介： 孙泽豪（1996-），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆新型动力传动技术及其电子化。

通信作者： 张洪信（1969-），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为车辆新型动力传动技术。Email： qduzhx@126.com