调节阀内空化场压力累积强度特性分析

2023-11-30刘启航刘秀梅李贝贝张雨佳易锟梁

液压与气动 2023年11期

刘启航, 刘秀梅, 李贝贝, 张雨佳, 易锟梁, 吴速

(中国矿业大学机电工程学院, 江苏徐州 221116)

引言

我国是世界上煤炭生产消费的第一大国,煤炭开采设备总量位居世界前列。据世界能源大会资料表明, 中国煤炭资源储备达全球的30%, 远大于原油储备量,可被开发使用的超过数百年[1]。但是,煤矿在不合理的开发利用进程中,必将造成巨大的污染和自然资源耗费。煤液化技术是目前煤炭转化为清洁能源的唯一途径。煤液化调节阀是煤液化工程的核心部件之一。空化是液压元件中存在的一种复杂的物理现象。机械系统长期在空化状态下运行,由于空化产生的气泡运动至高压区时会发生破裂,产生巨大的冲击,会对机械系统造成损害,严重时还会导致系统故障[2-3]。因此,研究空化过程中压力脉动的特性问题具有重要意义。煤液化调节阀通常运行在高温、高压的环境下,阀内经常伴随空化现象的发生,生产装备的可靠性无法得到保障。这使得煤液化调节阀的使用寿命较短,严重制约了煤液化装备的长周期运行。这是大力发展煤液化技术亟需解决的关键性问题之一。

空化流周期性变化引起的复杂压力波动现象会降低调节阀的控制精度,严重的会引起共振。LE Q等[4]选择了平凸翼作为主要研究对象,通过在其表面布置压力感应器收集气压的脉动信息,并对其进行分析,发现了最大压力脉冲相对于云状空穴的中心位移。REISMAN G E等[5]同样通过设置气压传感器的方式,在翼型内设置了4个气压传感器,结果表明,云状空化溃灭产生压力脉动的频率非常高,且对应幅度较大,其幅度能够超过3个大气压。FARHAT M等[6]使用了准确度更高的微小型压阻式气压感应器,成功检测了翼型表面空化区的气压波动,结果更加精确可靠。KJELDSEN M等[7]根据所收集到的压力信息,通过频谱解析的方式研究了在空化反应形成、发展、脱落和溃灭等过程中,所产生的压强波形的频率特征。LEROUX J B等[8]以NACA66水翼为主要研究对象,通过测定其表面空穴的压力波形,认为空化反应在溃灭时形成的巨大的冲击波,进而会影响下一个空化反应的生长与脱落过程。PETKOVEK M等[9]检测到空化流内部的激波,指出云塌缩引起的激波锋面速度和局部压力波可分别高于700 m/s和5 MPa。MIN J C等[10]对采集到的压力信号进行信号处理,并研究分析了空化云脱落和崩塌过程中压力波动的频谱特征。JAZI A M[11]研究了压差的平方根与流量的关系,通过分析开孔百分比在12%以下时高频信号的变化,可以检测到空化从开始到完全发展。UENO H等[13]针对锥阀内部的空化现象,采用可视化技术进行实验研究,并结合数值仿真的方法对空化现象进行了研究分析,仿真结果表明,在漩涡的中心存在局部低压区域分布,与实验得到的图像分布基本一致。KUDZMA Z等[12]发现阀内发生空化时,噪声信号有显著的改变,呈现急剧增加的状态,因此可以通过测试噪声信号,来判断阀内的流场状态。KUMAGAI K等[14]采用同步采集的方法,同时采集空化图像与压力信号,并提出空化尺寸、压力脉动、阀芯升力和阀芯位移等参数,结果表明,阀内上游的压力波动与升力的变化轨迹高度吻合。

国内学者近些年在空化引起的压力脉动方面的研究也取得了不小的进展。陈广豪[15]利用高速摄像机捕捉了空化的发展过程,并分析了空化演化过程中的压力波动过程,指出片状/云空化中的准周期压力波动与空化行为密切相关。KANG D[16]提出了文丘里管测量脉动流量的非定常能量方程,用欧拉方法计算了脉动流量,用线性化的非定常能量方程计算了脉动流量的复振幅。LI X等[17]指出,空化结构取决于水蒸汽混合物与水蒸气的相互作用。LONG Y等[18]指出,球周围空腔的演化是一个空腔生长和收缩的准周期过程。

然而,关于调节阀内不稳定空化流发展过程中的压力脉动的研究还存在诸多问题。缺乏分析空化云演化过程中所引起的相对应的压力脉动发展状况,也缺少针对采集到的压力脉动时域信号进行的分析,没有一个相对可靠的量化指标去评定阀内的空化状态。本研究设计了调节阀内非定常空化流场图像与压力脉动信号的同步采集系统,针对采集到的压力信号,提出量化指标,并以此为依据,分析不同工况条件下,调节阀开度以及来流温度对于阀内空化的影响。研究结果有助于深入了解调节阀内空化流场,为调节阀减震降噪以及提高控制精度提供参考信息。

1 实验系统

实验装置示意图如图1所示。液压系统的动力源选用轴向柱塞泵1,最高可提供31.5 MPa的压力,但是泵的出口会有一定的压力脉动。加装蓄能器4,达到吸收或者补充系统流量的目的。在实验过程中,流量计以及压力表测得的数据会实时显示在控制台5的控制面板上,并且可以通过面板上的启停按钮,控制液压实验系统的开关。实验中,对实验阀的进出口压力的设定可以通过背压阀11和调压阀12和进行。

1.轴向柱塞泵 2.电机 3.风冷却机 4.蓄能器 5.控制台 6.高速相机 7.电脑 8.光纤灯 9.透明测试阀 10.压力传感器 11.背压阀 12.调压阀 13.压力表 14.流量计

随着实验系统的运行,由于油液的摩擦以及空化的发生,会导致油温的上升。油温的变化会影响油液的密度、黏度等参数,从而会影响流场特性。因此,在实验系统中加装风冷却器3,对油液进行降温, 以保证结果的准确性。为了方便拍摄观察实验过程中阀内的流动状态,选用透明的有机玻璃制作阀座,能有效观测和捕捉调节阀内部流场的结构改变过程。

调节阀内部流道结构如图2所示。其中箭头代表油液的流动方向。在扩张段位置加工设置一个直径为1 mm的引流孔,安装压力传感器。在不会对内部流场以及空化流场结构造成破坏的前提下,也能够很准确的测量出测点的压力信号。在阀的入口位置加装温度传感器,以此来测量阀内的来流温度。

图2 调节阀模型剖面图Fig.2 Control valve model profile

图像采集系统由高速相机、电脑、光纤灯、透明测试阀组成。考虑到阀内复杂的流场变化,本研究选用,型号为Phantom VEO-710 L高速数字摄像机来进行拍摄实验,其高频率以及高分辨率可以准确地捕捉并拍摄到阀内流道扩张段位置处的空化发展情况。

压力测量系统如图3所示。由图1中的压力传感器、NI采集板卡、稳压电源和一台具有数据采集功能的电脑组成。稳压直流电源用于在传感器工作过程中为其提供稳定的24 V直流电源供应,保证其正常工作。压力传感器将采集到的压力脉动信号,通过NI采集卡传输给电脑。LabVIEW软件作为上位机平台,安装在电脑上,实现数据采集的启停以及实时分析。其中,压力传感器由爱尔公司生产,其量程为0～10 MPa,输入电压为0～10 V,测量频响为0～200 kHz。

图3 压力测量系统Fig.3 Pressure measurement system

本研究提出了一种可以同步采集流场结构变化图像和压力脉动信息的系统。图4为同步采集实验的操作流程图。

图4 同步处理流程Fig.4 Synchronization process

实验主要分为采集准备、参数设置、数据采集、数据储存以及采集结束5个步骤。首先,依次调试设置好图像采集系统和压力采集系统,并运行液压系统泵站。设置压力信号的采样频率为20 kHz,采样时间为3 s。开机运行一段时间,使液压系统工作在一个相对稳定的环境下,此时通过LabVIEW触发传感器采集压力信号,同时NI采集卡给高速相机一个高电平信号触发高速相机,相机开始拍摄。采集完成后,按照需求将测量数据储存并将实验设备妥善收起保管。

2 研究方法

在本研究中引入压力累积强度的概念,定义压力累积强度为:

(1)

压力累积强度表示压力脉冲信号下方的面积,其中t1和t2分别对应pa超越某一临界压力pt的时刻。忽略了低频压力波动和高频小幅值的压力脉冲,而仅仅计算空穴溃灭产生的高幅值的压力脉冲,其大小代表了空穴溃灭的能量。

在本次研究中,定义临界压力pt为0,即检测到压力波动即视为有压力累积,定义t1和t2为一个空化发展周期,借助采集图像定义周期时间。采集到的图像为灰度值图像,如图5a所示,将采集到的空化图像进行图像二值化处理,得到如图5b所示的黑白图像。在扩张段位置设置一个宽度为0.5 mm的检测框,长度覆盖整个扩张段横截面,如图所示。当检测框内刚检测到游离型空化时,取此刻的时间为t1,随着空化的脱落与溃灭,此次空化发展完毕。当检测框内第二次检测到游离型空化,即下一周期的空化发展至此时,取此刻的时间为t2。在压力脉冲信号上选取这2个时刻,相对应的积分上下限即选取完毕,即可计算该段时间内的压力脉冲累积强度。

图5 空化周期定义示意图Fig.5 Schematic diagram of cavitation cycle definition

为了选取的周期数具有代表意义,要求选取的周期数量足够大以保证结果的准确性。故定义皮尔逊相关系数,记为R。用于度量2组数据X,Y之间的线性相关性,其值介于-1～1之间,其计算公式为:

(2)

式中, cov(X,Y)是X和Y的协方差;σX,σY分别是X和Y的标准差。R的值越接近1,表示2组数据的相关性越强。对于压力累积强度,选取周期数n作为变量X,压力累积强度作为变量Y,计算2个变量之间的皮尔逊相关系数。通过计算绘制得出随着周期数量的增加,相关系数的变化曲线,如图6所示。当选取周期数为30个周期时,皮尔逊相关系数的值为99.97%。此时可以认为周期数量为30时,压力累积强度与周期数量之间已经达到了高度的相关性,不需要再叠加周期数,故选取30个周期进行分析。

图6 不同数量周期与压力累积强度间的皮尔逊相关系数Fig.6 Pearson correlation coefficient between different number periods and pressure cumulative intensity

3 分析与讨论

图7为入口压力为4 MPa,背压为0.5 MPa时的时域变化图。可以看出,压力信号的时域变化具有明显的周期性。扩张段的空化主要为游离型空化,伴随着空化的脱落与溃灭,测点的压力值有规律并且保持一定的周期稳定变化。根据前文提出的方法,在图像检测框内检测的游离性空化到来的时刻,提取此刻对应的压力数值,为求取压力累积强度计算做准备。

图7 典型压力信号时域图Fig.7 Time domain diagram of pressure signal

通过快速傅里叶变换得到其频域图,入口压力为4 MPa,背压为0.5 MPa时的频域变化图,如图8所示。提取频域图中峰峰值对应的频率值,作为无量纲化处理的基础。

图8 典型压力信号频域图Fig.8 Frequency domain diagram of pressure signal

为了更加深入地探究空化附着区域的压力脉动特性,该文基于时频域联合分析的方法,对压力累积强度进行了无量纲化分析,选择30个周期的压力时域信号为分析基础。

定义压力累积强度变化率λ来表征不同入口压力下空化发展速率的变化规律,其数学表达式为:

(3)

图9为30%开度时,不同入口压力下,30个周期的压力累积强度以及压力累积强度变化率的变化曲线。左侧的坐标轴表示压力累积强度,可以看出,无论对于什么入口压力下的压力累积强度,其数值基本保持在7.4～7.6 MPa之间。由此可以得出,无论对于什么入口压力,其在一定周期内,压力累积的强度是一定的。这主要是因为越大的入口压力对应越大的流道内压力变化,但是同时其周期时间也越短,即其累积压力的时间越短。而对应较小的压力变化时,其累积压力的时间越长。从而导致无论在什么条件下,一定周期时间内,压力的累积强度是一定的。对于右侧的坐标轴,其表示压力累积强度变化率,可以看出随着入口压力的增大,压力累积强度变化率逐渐降低。这主要是因为,随着入口压力的增大,其平均压力值也逐渐增大,导致其对应公式的分母逐渐增大,从而其对应值逐渐降低。在背压保持不变的情况下,随着入口压力的增加,其压力累积强度变化率逐渐降低,但是其空化发展速率逐渐加快。由此可以得出,较低的压力累积强度变化率,即代表较高的空化发展速率。

图9 不同入口压力下压力累积强度与压力累积强度变化率变化曲线Fig.9 Curve of pressure cumulative intensity and change rate of pressure cumulative intensity under different inlet pressure

图10为入口压力为4 MPa,背压为0.5 MPa,30%开度时,不同入口温度下, 30个周期的压力累积强度以及压力累积强度变化率的变化曲线。从图中可以看出,压力累积强度在7.2～7.3 MPa之间有着较小的波动。其变化趋势基本同图8变化一致,即无论对应什么样的入口温度,其压力累积强度是一定的。对于压力累积强度变化率,越高的温度对应越低的压力累积强度变化率,其空化发展速率越快。对于压力累积强度的变化趋势,其原因与图8一致:较大的压力变化对应较短的压力累积时间。从而导致压力累积强度的一致性。对于压力累积强度变化率,由于随着温度的提升,油液黏度降低,压力信号的平均值也逐渐增大,导致其压力累积强度变化率逐渐减低,即空化发展速率逐渐增大。

图10 不同入口温度下压力累积强度与压力累积强度变化率变化曲线Fig.10 Curve of pressure cumulative intensity and change rate of pressure cumulative intensity under different inlet temperatures

图11表示入口压力为4 MPa,背压为0.5 MPa时,不同开度下,30个周期的压力累积强度以及压力累积强度化率的变化曲线。可以看出,压力累积强度以及压力累积强度变化率都随着开度的变化而变化。由此可以得出,压力累积强度的改变只与阀内的结构有关。即无论处在什么工况之下,只要阀内流道结构没有发生改变,其对应的数值总是一定的。而通过图9和图10的分析,可以得出,较低的压力累积强度变化率对应较高的空化发展速率。在开度为40%时,压力累积强度变化率最低,进而也证明此时的空化发展速率是最快的。

图11 不同开度下压力累积强度与压力累积强度变化率变化曲线Fig.11 Curve of pressure cumulative intensity and pressure cumulative intensity change rate under different opening degrees

本研究通过提出压力脉冲因子这一参数,用于评价阀内空化的发展强度,其定义如下:

(4)

式中,pmax为参考周期内的最大压力;pmin为最小压力。

图12为不同开度时,不同入口压力下,30个周期内的压力脉冲因子的变化曲线。可以看出,随着入口压力的增大,压力脉冲因子也逐渐增大。因为随着入口压力的增大,压力的变化也逐渐显著。更多的压力峰值会导致更高的压力脉冲系数。而随着开度的增加,各种入口压力下的压力脉冲因子的变化趋势基本一致,但是和压力累积强度变化率是恰好相反的,压力脉冲因子会先增大再减下,在开度为40%时最大。同样的,随着开度的增大,压力的变化率也先增大后减小,这是导致压力脉冲因子变化趋势的主要原因。因此可以得到,较大的压力脉冲因子也说明阀内的空化强度更加剧烈。另外,由于开度为70%时,开度较大,阀内的压力无法增大至5 MPa,故此点的数据缺失,但并不影响整体分析。

图12 不同入口压力下压力脉冲因子随开度变化曲线Fig.12 Curve of pressure pulse factor with opening under different inlet pressure

图13为入口压力为4 MPa,背压为0.5 MPa,30%开度时,不同入口温度下,30个周期内的压力脉冲因子变化曲线图。可以看出,温度在303～328 K之间波动时,压力脉冲因子会持续增加。这是由于随着温度的增加,油液的黏度逐渐降低,流速加快,进而导致阀内液体流动更加剧烈,使得阀内的压力变化更加剧烈。可以得出,更大的压力脉冲因子说明阀内的空化程度更剧烈。因此可以得出,随着温度的升高,压力脉冲因子逐渐增大,阀内的空化程度也逐渐增大。