新型管路液流脉动衰减器的数值与试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室 作者:陈建全

  载流管路中的液流压力脉动是造成管路系统振动的主要原因,因此消减液流脉动对管路安全具有重要意义。本文根据声学滤波器的基本原理设计了一种新型实用的液流脉动衰减器,通过数值仿真软件FLUENT 建立了该衰减器的二维非稳定流动模型,并推导了管路中柱塞泵输送液流的入口条件,分析了不同频率下衰减器的液流脉动衰减性能。在数值模拟的基础上制作了脉动衰减器的实物模型,设计并搭建了柱塞泵管路实验平台,对脉动衰减器的相关性能进行了试验研究。通过数值模拟结果和试验数据的对比分析,发现该液流脉动衰减器具有作用频带宽、液流脉动衰减效果好的特点。此外,该衰减器结构紧凑、安装维护简单,便于工程实际应用。

1、前言

  充液管道系统作为具有代表性的流体输送系统,在工业领域有广泛应用,发挥着重要作用。众多生产实践表明载流管路的绝大多数振动问题都是由液流压力脉动引起的。因此真空技术网(www.chvacuum.com)认为研究液流脉动消减措施,设计并制造实用有效的液流压力脉动消减器对解决工程实际问题具有重要的理论意义和实用价值。

  载流管路的振动控制主要分为主动控制和被动控制,其中被动控制很多都是从衰减管路内的液流脉动着手的。早在1922 年美国的G. W.Stewart 就提出了声学滤波器在实际中的应用价值,并首先用电—声模型法导出了声学滤波器的基本模型; 20 世纪50 年代Davis 对膨胀室型滤波器和分支共振型滤波器进行了比较系统的研究; 20 世纪70 年代Streenath 等学者借助传递矩阵给出了滤波器的衰减表达式; 2001 年奥地利林茨约翰开普勒大学的J. Mikota 对几种液压系统中的滤波器进行了研究,并设计了一种基于赫姆霍兹滤波器原理的多自由度弹簧质量吸振装置; 2005 年德国特里尔大学Harald 对抗式压力脉动衰减器在液压系统的应用进行了实验研究; 2010 年,Kela 设计了一种自适应赫姆霍兹式脉动衰减器,并在液压系统中进行了相关研究。在国内也有很多学者进行着这方面的研究,其中1984 年,陈守五等分析了穿膛式液流脉动消振器的机理,建立了运动方程; 1994 年,王和康针对K 型液压滤波器进行了研究; 2011年,浙江大学的章寅利用CFD 软件对赫姆霍兹式和多孔同心式脉动衰减器进行了数值模拟和实验研究,并得到了一些有价值的结论。

  本文基于声学滤波器的基本原理,设计了一种新型的多孔管式阻抗复合型液流脉动衰减器,利用FLUENT 建立了该脉动衰减器的二维模型并根据柱塞泵的工作原理推导出管路入口条件。其后在实验室搭建了载流管路实验平台,并在数值模拟的基础之上制造了该脉动衰减器的实物模型,进行了不同工况下的试验研究。

2、基本原理

  2.1、载流管路中柱塞泵工作原理

  柱塞泵依靠柱塞在缸体中往复运动,使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸液、排液的功能。排液的不连续性决定了柱塞泵输出流量具有脉动特性。曲柄连杆式柱塞泵具有排液压力高、输出流量稳定、对输送介质有较强的适应性等优点,是石油化工、矿山矿场等领域最常见的动力源。实验室为了能模拟生产实际中管路系统的流量脉动,选择曲柄连杆式三柱塞泵作为激励端。曲柄连杆式单作用柱塞泵的工作原理如图1 所示。

柱塞泵工作原理

图1 柱塞泵工作原理

5、结论

  (1) 结合干涉型液流脉动缓冲器和多孔管式气流消音器的基本原理,立足于生产实际,设计了多孔管式阻抗复合型液流脉动衰减器。利用FLUENT 建立了该脉动衰减器的二维模型,根据其激励端确定了较为恰当的进口边界条件;

  (2) 搭建了载流管路试验平台,并在数值模拟的基础之上制造了该脉动衰减器的实物模型,进行了不同工况下的试验研究,并得到了和数值模拟结果一致的结论;

  (3) 通过数值模拟和试验得出了此脉动衰减器不同频率下的衰减性能,发现该脉动衰减器最大衰减率为15dB 左右,最小脉动衰减率也在10dB 以上,衰减性能优异,通过进一步的数值模拟发现该脉动衰减器具有较宽的衰减频带。数值模拟和试验研究表明此脉动衰减器有重要的工程应用价值。

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