水基TiC纳米流体液压管道流动特性研究

2023-11-09王志强吴张永徐初旭蒋佳骏朱启晨

机床与液压 2023年20期

王志强，吴张永，徐初旭，蒋佳骏，朱启晨

(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500)

0 前言

液压传动是利用液体压力能进行能量转换的传动方式，易实现大范围无级调速、易于控制、传动平稳、响应迅速，在工业领域广泛应用[1]。液压工作介质作为传动的“动脉血液”，起着传递动力、信号、润滑等作用[2]。纳米流体是指将纳米级的粒子分散到基液中，形成均匀、稳定的新型功能流体[3-5]。水基纳米流体相较于矿物型液压介质环保性好、可用于高温明火环境，相较于纯水液压介质黏度高、润滑性好、密封性强[6-7]。

纳米TiC具有高熔点、高硬度、高耐磨性等优异性能，同时具有良好的化学稳定性、导热和导电性，广泛应用于机械加工、矿产冶炼和航空航天等领域[8-11]。采用纳米TiC颗粒制备的纳米流体具有环保性、润滑性、流变特性等，将纳米流体用作液压传动介质，可满足液压传动的基本性能要求。目前，国内外对TiC纳米流体的研究较多，但将它用作液压传动介质并研究管道流动特性却鲜有报道。ALI[12]对完全湍流状态下的SiO2/水纳米流体在铜管中的内部对流换热进行了实验研究，发现纳米颗粒体积分数的增加，导致纳米流体热导率的提高，增强了管内对流换热系数。ABBASIAN ARANI和AMANI[13]通过实验发现：水基TiO2纳米流体流经管道时，管道内的雷诺数增大，纳米TiO2质量分数增加，努塞尔数和压降也随之增加。杨纵等人[14]研究发现：Al2O3/H2O纳米流体在管内流动时，随着纳米流体体积分数的增大，换热效果增强，压降梯度上升。上述研究均未涉及纳米流体在复杂液压管路的流动特性以及粒子在管路中的运动轨迹。在液压系统中，液压介质流经管道时会发生能量耗散，造成压力损失和温度上升，降低液压传动系统的工作效率。纳米流体作为两相流体，以液压传动介质在液压管路中流动时能量损失更加复杂，能量耗散也更加明显，因此有必要研究纳米流体的液压管道压力损失、温度变化及流动状态，为纳米流体在液压传动介质上的应用提供一定的理论依据和参考。

本文作者采用“两步法”制备水基TiC纳米流体。采用Fluent软件建立L形管道和T形管道模型，对水基TiC纳米流体和32号液压油在液压管道中进行流动仿真分析；搭建液压管道流动实验平台，进行流动特性实验。

1 管道流动理论

1.1 管道压力损失

液压介质流经液压管道时会发生能量耗散，造成压力损失，耗散主要源于液压介质与管道内壁的摩擦。

(1)沿程压力损失

圆形截面压力损失可由Darcy-Weissenberg公式求得[15]：

(1)

式中：λ为沿程阻力系数；l为管道沿程长度，mm；d为管道直径，mm；v为管内平均速度，m/s。

(2)局部压力损失

局部压力损失可由下式求得：

(2)

式中：ξ为局部阻力系数；v为平均流速，m/s；ρ为流体密度，kg/m3。

1.2 湍流理论模型

流体的流动状态可以通过雷诺数和临界雷诺数进行判别，当管道的截面为圆形时，其雷诺数可由下式计算得出：

Re=vd/υ

(3)

式中：v为流体的平均流速，m/s；υ为流体的运动黏度，N·s/m2。

常用的液压管道以2 000～2 300雷诺数作为层流与紊流的分界点，大于此分界点为层流，小于此分界点为紊流。

标准κ-ε湍流模型适用范围广，同时又具有合理的精度，因此在高雷诺数的流场和热交换模拟中得到了广泛的应用[16-17]。

标准κ-ε湍流模型是一种高雷诺数湍流模型。考虑到流体是在液压传动系统的管道中流动，管道内径较小，压力较大，因此管道内的雷诺数往往较高，且在模拟计算时需要考虑到换热的问题，故选择标准κ-ε湍流模型。

湍动能κ方程：

Gb-ρε-YM+Sκ

(4)

湍动耗散率ε方程：

(5)

式中：μt为湍流黏性系数；Gκ为由于平均速度梯度引起的湍动能κ的产生项；Gb为由于浮力引起的湍动能κ的产生项；C1ε、C2ε、C3ε、σκ、σε皆为经验常数。

1.3 DPM模型

在离散相模型中，粒子与流体的相互作用通过粒子之间的作用力表示。Fluent中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程求解离散型颗粒的轨迹[18]。颗粒的作用力平衡方程为

(6)

其中：FD(u-up)为颗粒的单位质量曳力：

(7)

式中：u为流体相速度；up为颗粒速度；μ为流体动力黏度；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度；dp为颗粒直径。

Re为颗粒雷诺数，其定义为

(8)

曳力系数可采用以下表达式：

(9)

2 水基TiC纳米流体制备

2.1 实验材料及设备

实验中所用材料为：RO反渗透膜处理水、TiC颗粒(平均粒径30 nm)、分散剂羧甲基纤维素钠(CMC)。

实验中涉及的设备为：FA2204B电子天平、JH-100数显恒温电动搅拌器、KQ超声波分散仪、SNB-1数显黏度计、HH-6恒温水浴箱。

2.2 制备步骤

纳米流体采用“两步法”制备，将纳米TiC颗粒与一定量的基液、分散剂混合，搅拌、超声后制得稳定的水基TiC纳米流体，具体制备步骤如图1所示。

图1 水基TiC纳米流体制备流程

2.3 水基TiC纳米流体

图2所示为添加分散剂的水基TiC纳米流体的透射电镜图，可以看出：TiC颗粒的形状有球状、六方体以及一些不规则形状，纳米颗粒在基液中基本上没有重叠现象，大多以单一颗粒的形式存在，且颗粒表面存在包覆层，包覆层厚度均匀，说明文中制备的纳米流体被分散剂所包覆，具有良好的分散稳定性。

图2 水基TiC纳米流体TEM图

3 管道流动特性仿真

3.1 Fluent简介

Fluent可用于对流体、热传递、化学反应进行求解，具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。

3.2 物理模型建立

3.2.1 模型建立

L形管道选用2根外径14 mm、内径12 mm、长10 cm的铜管与L形管接头(GB/T 3740.1)组合而成；T形管道选用3根外径14 mm、内径12 mm、长7.5 cm的铜管与T形管接头(GB/T 3745)组合而成。管道内部流域如图3所示。

图3 管道内部流域

3.2.2 模型网格划分

采用Mesh网格划分模块对管道内部网格流域进行了结构化网格划分，如图4所示，其流域均设为单元尺寸0.5 mm，膨胀过渡比为0.272，最大层数为10，增长率为1.2。

图4 不同管道内部流域的网格

数值仿真结果的精度受网格质量的影响，网格划分完成后用偏度对各个模型网格的质量进行评估，其中L形管的最大偏度为0.820 76，T形管的最大偏度为0.716 75，网格质量满足仿真要求。

3.3 管道流动特性仿真分析

3.3.1 L形管流动特性仿真分析

在液压工程机械中，L形管用于在工作油路中输送液压介质，同时起到一定的散热作用，因此对液压传动介质在L形管中的压力损失、流场流速、温度变化以及纳米流体的粒子轨迹进行数值仿真研究。

分别对32号液压油和水基TiC纳米流体在入口压力为1、2、3、4、5、6 MPa时的流动特性进行了仿真。为了便于对比观察，选取了入口压力为1 MPa和6 MPa时的压力云图、速度云图和出口温度云图进行展示。

流体流经L形管道拐角时，沿壁面的流体层在离心力、径向压力梯度的共同作用下发生平行于壁面的偏移，偏移距离大于远离壁面的流体层的偏移，形成垂直于主流的二次流。

图5所示为L形管道不同入口压力下液压介质的压力云图。当液压介质流经L形管道拐角处时，在拐角外侧存在扩散效应，内侧存在收缩效应，因此产生漩涡。漩涡流动与轴向流动之间存在极大的能量交换，产生二次流压力损失，使得压力急剧减小。直管段的沿程压力损失和拐角处的二次流损失导致L形管道的压力损失。在拐角内侧出流管段发生严重的湍流现象并产生负压腔，负压值随着入口压力的增加而增大。

图5 L形管道不同入口压力下液压介质的压力云图

流体介质具有良好的流动性，管壁对流体介质存在摩擦阻力。流体在直管段流动时，管道中间流体流动速度较快，由于管壁摩擦阻力的存在，流体流动速度较缓慢，速度分布呈分层现象[19]。

图6所示为L形管道不同入口压力下液压介质的速度云图。L形管道拐角处，二次流加强了流体的扰动，并使流动速度提高，此处会发生流体流动的分离以及流动方向的变化，形成液体回旋，产生漩涡，引起出流管下方流体速度集中，使得该区域流体流速急剧增大，最大流速出现在该处。由于漩涡的存在，减小了管内流体的有效流通面积，使得上方流体的流速较小。最大流速随入口压力的增大而增大，由于流体黏度的影响，同等入口压力下，32号液压油的最大流速大于水基TiC纳米流体，压力变化不会影响管道内流体的速度分布。

图6 L形管道不同入口压力下液压介质的速度云图

在基液中加入纳米粒子可以显著增加基液的导热系数。受分子间作用力的影响，纳米粒子表面的液体分子排列十分紧密，形成界面层，使得液体分子的热导率发生变化[20]。纳米流体在流动过程中产生微对流现象，包括布朗运动产生的微对流和纳米粒子的热泳现象，导致流体整齐有序地流动，导热系数增强。

图7所示为L形管道不同入口压力下液压介质的出口温度云图。热量沿管壁方向扩散，管道中心区域温度最高，越靠近管壁温度越低。添加纳米颗粒一方面能提高介质自身的热导率，另一方面由于纳米颗粒在基液中做无规则的布朗运动，同时扰动基液做无规则运动，换热效果增强。同等入口压力条件下，水基TiC纳米流体的换热效果要优于32号液压油。

图7 L形管道不同入口压力下液压介质的出口温度云图

TiC纳米粒子在弯管处的运动受自身惯性力、二次流的影响。纳米颗粒稳定悬浮在流体中，受到流体的携带作用，在管道内的空间分布和流动特性很大程度上由管内流体的流场特征所决定。

图8所示为L形管道纳米流体的粒子轨迹。粒子随着流体从入口处垂直、均匀注入管道，在上游直管段内平行流动，到达拐角处时，粒子与管壁发生碰撞、反弹，粒子与管壁的碰撞以及粒子之间的相互碰撞使得粒子在拐角出流一侧产生漩涡，如图8(b)所示。由于二次流和惯性力的共同作用，粒径越小，合速度越快，碰撞能越大，粒子与弯头处碰撞次数较多，易产生冲蚀现象[21]。

图8 L形管道纳米流体的粒子轨迹

由图9(a)可知：液压介质流经L形管道的压降随入口压力的增加而增大，水基TiC纳米流体的压降略低于32号液压油。由图9(b)可知：液压介质流经L形管道的温差随着入口压力的增加而减小，水基TiC纳米流体的温差高于32号液压油。

图9 L形管道仿真曲线

3.3.2 T形管流动特性仿真分析

在液压工程机械中，T形管用于回油油路中时，可以使不同油路中的液压油一起输运回到油箱，简化管路。当管道为T形管道时，设水平一端和垂直一端为入口，水平端入口压力等于垂直端入口压力，另一水平端为出口。对液压传动介质在T形管中的压力损失、流场流速、温度变化以及纳米流体的粒子轨迹进行数值仿真研究。

对32号液压油和水基TiC纳米流体在压力入口1和入口2处压力均为0.5、1、1.5、2、2.5、3 MPa时的流动特性进行仿真。为了便于对比观察，选取入口压力为0.5 MPa和3 MPa时的压力云图、速度云图和出口温度云图进行展示。

图10所示为T形管道不同入口压力下液压介质的压力云图。液压介质在水平端入口和垂直端入口管路内流动时压力比较稳定，当两股介质交汇时，由于流体的碰撞和流动方向的改变，在出流口上端形成压力较低的回流区，产生漩涡。压力分布的不均匀导致的介质流动不规则造成了T形管的局部压力损失，出口端管路压力出现明显的分层现象，下层流体的压力值要高于上层流体的压力值，同时发生严重的湍流现象并产生负压腔，负压值随着入口压力的增加而增大。

图10 T形管道不同入口压力下液压介质的压力云图

图11所示为T形管道不同入口压力下液压介质的速度云图。在T形管道的交汇处，水流流速梯度较大，出现高流速区和低流速区。水平和垂直来流方向的两股液压介质发生碰撞，强制改变了垂直端管路流体流向，出口管路流态变得极不稳定。在流体刚进入出口端管路时，流速急剧增大，最大流速出现在该处，流体向出口端流出，速度逐渐降低，同时速度分布出现明显的分层现象，上层流体的速度值小于下层流体的速度值。在流体交汇处出口端管路上层区域产生了一个漩涡，减小了管内流体的有效流通面积，导致出口端管路上方流体的速度较小。最大流速随入口压力的增加而增大，受流体黏度的影响，同等入口压力下，32号液压油的最大流速大于水基TiC纳米流体，压力变化不会影响管道内流体的速度分布。

图11 T形管道不同入口压力下液压介质的速度云图

T形管道出口截面的温度分布和换热效果规律与L形管道的一致，如图12所示。同等入口压力条件下，水基TiC纳米流体的换热效果要优于32号液压油。

图12 T形管道不同入口压力下液压介质的出口温度云图

图13所示为T形管道纳米流体的粒子轨迹。粒子的运动轨迹受流体流动特性的影响，TiC纳米粒子在流体的携带作用下，同时从垂直端入口和水平端入口注入，在上游直管内稳定平行流动。在到达管路交汇处时，垂直管路粒子和水平管路粒子发生碰撞，改变了两股粒子的流动方向，使得粒子在交汇处管路两侧向中间聚拢，在出流管上端产生漩涡，如图13(b)所示，并随着流体从管道中流出。

由图14(a)可知：液压介质流经T形管道的压降随着入口压力的增加而增大，水基TiC纳米流体液压传动介质压降略低于32号液压油。由图14(b)可知：液压介质流经T形管道的温差随着入口压力的增加而减小，在入口压力相同的情况下，水基TiC纳米流体液压传动介质温差高于32号液压油。

4 管道流动特性实验

在管道流动特性数值模拟中，仿真结果表明：水基TiC纳米流体的压降低于32号液压油，温差高于32号液压油。为验证上述仿真结果，需要搭建管道流动实验平台，将实验结果与仿真结果进行对比。

4.1 管道流动特性实验方案

图15所示为L形管道压降实验原理。L形管道由2根等长的铜管与L形管接头组成，在连接管道时，分别在L形管道的入口和出口处各安装1个压力传感器和温度传感器。进行实验时，首先启动计算机，全开溢流阀，启动液压泵，通过溢流阀调节管道入口P的压力，记录传感器所采集的压力和温度数据，进而完成L形管道的压降实验。

图15 L形管道压降实验原理

图16所示为T形管道压降实验原理。T形管道是由3根等长的铜管与T形管接头组成，在连接管道时，分别在T形管道的2个入口和1个出口处各安装1个压力传感器和温度传感器。进行实验时，首先启动计算机，全开溢流阀，全关减压阀，启动液压泵，通过溢流阀和减压阀调节管道入口P1、P2的压力，记录传感器所采集的压力和温度数据，进而完成T形管道的压降实验。

图16 T形管道压降实验原理

4.2 管道流动特性实验分析

(1)L形管实验分析

在图17所示的L形管道液压实验台中，全开溢流阀，启动液压泵，调节溢流阀使其出口压力为1 MPa，运转系统，当油温达到40 ℃时，记录L形管道出口端的压力和温度变化。记录完毕后，重复以上操作记录入口温度为40 ℃和入口压力分别为1、2、3、4、5、6 MPa时出口端的压力和温度。

图17 L形管道液压实验

由图18(a)可知：液压介质流经L形管道的压降随着入口压力的增加而增大，在入口压力相同的情况下，水基TiC纳米流体液压传动介质压降始终低于32号液压油。由图18(b)可知：液压介质流经L形管道的温差随着入口压力的增加而减小，在入口压力相同的情况下，水基TiC纳米流体液压传动介质温差始终高于32号液压油。

图18 L形管道实验曲线

(2)T形管实验分析

在图19所示的T形管道液压实验台中，全开溢流阀，启动液压泵，调节溢流阀使其水平端入口压力为0.5 MPa，然后调节减压阀使其垂直端入口压力为0.5 MPa，运转系统，当油温达到40 ℃后，记录T形管道出口端的压力和温度变化。记录完毕后，重复以上操作记录入口温度为40 ℃和入口压力分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3 MPa时出口端的压力和温度数据。

图19 T形管道液压实验

在图20(a)可知：液压介质流经T形管道的压降随着入口压力的增加而增大，在入口压力相同的情况下，水基TiC纳米流体液压传动介质压降始终低于32号液压油。由图20(b)可知：液压介质流经T形管道的温差随着入口压力的增加而减小，在入口压力相同的情况下，水基TiC纳米流体液压传动介质温差始终高于32号液压油。

图20 T形管道实验曲线

对比仿真和实验的压差曲线、温差曲线可以看出：液压介质在L形管道和T形管道中流动时，压降与入口压力呈正相关关系，温差与入口压力呈负相关关系；同等入口压力条件下，水基TiC纳米流体的压降小于32号液压油，水基TiC纳米流体的温差大于32号液压油。水基TiC纳米流体相较于32号液压油，在液压管道流动时的压力损失要小，同时导热能力也得到增强。由于实验中难免存在误差，导致仿真数据和实验数据有所不同，但最大误差仅为11.48%，仿真结果与实验结果基本吻合，实验具有较高的可靠性。