基于Fluent的油液減振器氣穴現(xiàn)象研究

(華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西南昌 330013)

引言

油液減振器是汽車上的重要部件，廣泛運(yùn)用于汽車的懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]，減振器通過其內(nèi)部復(fù)原閥產(chǎn)生的油液阻尼力來衰減車輪與車身之間的振動(dòng)，可以緩和由不平路面所引起的車身振動(dòng)和沖擊，從而提高汽車乘坐的舒適性。然而當(dāng)油液減振器長時(shí)間工作在振動(dòng)沖擊強(qiáng)，溫度變化大的環(huán)境當(dāng)中時(shí)，減振器內(nèi)部會(huì)循環(huán)產(chǎn)生高壓和低壓區(qū)域[2]，加之油液中溶解了一定量的空氣，當(dāng)減振器工作到一定時(shí)間，氣穴現(xiàn)象將會(huì)隨之產(chǎn)生。氣穴現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響油液減振器的工作性能，除產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲外、還會(huì)使系統(tǒng)的工作效率降低，縮短減振器的工作壽命[3]，因此對油液減振器氣穴現(xiàn)象進(jìn)行研究具有重要的意義。

空穴現(xiàn)象的研究是油液減振器噪聲防治中不可忽略的一個(gè)流程，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究，周長城[4]等建立了油液減振器氣穴產(chǎn)生機(jī)理的參數(shù)模型，提出了減小氣穴產(chǎn)生的閥系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，然而沒有獲取氣穴產(chǎn)生的具體位置和分布情況；周長城[5]等還對油液減振器產(chǎn)生氣穴的影響因素和油液使用前、后的物理和化學(xué)特性進(jìn)行了深入研究，但此研究沒有詳細(xì)分析油液減振器復(fù)原和壓縮過程中氣穴的生成過程；安成光[6]等通過數(shù)值模擬和阻尼參數(shù)影響分析，確定了節(jié)流氣穴現(xiàn)象在壓縮和復(fù)原行程出現(xiàn)的狀態(tài)，但忽視了不同溫度對油液減振器氣穴現(xiàn)象的影響情況；LUO T H[7]等采用Simulink仿真分析了油液減振器的壓縮回收過程，確定了緩沖區(qū)空化噪聲、節(jié)流孔長度與油液運(yùn)動(dòng)黏度的關(guān)系，但此方法沒有對油液減振器的復(fù)原過程進(jìn)行分析和仿真；EC Y[8]等基于動(dòng)力學(xué)分析，提出一種油液減振器穩(wěn)健設(shè)計(jì)的方法，并推導(dǎo)出了防止氣蝕的設(shè)計(jì)約束條件，美中不足的是此研究只分析了減振器節(jié)流閥片未開閥時(shí)的氣穴現(xiàn)象，忽略了開閥后氣穴現(xiàn)象的分布情況；ECRR F[9]等在模擬中采用了單相空化模型，利用CFD數(shù)值方法研究了油液減振器的流動(dòng)和空化現(xiàn)象，并提出了一種油液減振器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，不足的是此方案沒有對CFD的數(shù)值方法原理進(jìn)行深入研究。

針對上述油液減振器氣穴現(xiàn)象研究存在的問題，本研究基于CFD的數(shù)值方法對油液減振器的氣穴現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析減振器復(fù)原和壓縮過程中氣穴的生成過程，建立油液減振器三維流體模型和流體網(wǎng)格模型，在Fluent流體軟件中進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 油液減振器的氣穴現(xiàn)象

1.1 氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

通常在油液減振器的油液中溶解了一定量的空氣[10]，空氣的溶解和分解受到油液溫度和減振器內(nèi)部壓力的影響，具體為：溫度越高，壓力越大，空氣的溶解量就會(huì)增加，反之溶解量就會(huì)下降。具體的空化現(xiàn)象產(chǎn)生過程如圖1和圖2所示，由圖1和圖2可知，在油液減振器伸張過程中，活塞桿向上推進(jìn)導(dǎo)致活塞上方A腔的油液壓力變大，空氣的溶解度增大，空氣大量溶解在油液中；當(dāng)壓力上升到一定數(shù)值時(shí)，達(dá)到油液減振器復(fù)原閥節(jié)流閥片的開閥壓力，節(jié)流閥片逐漸打開閥口，油液通過復(fù)原閥和補(bǔ)償閥向B腔流動(dòng)，由于節(jié)流閥片處存在節(jié)流損失從而導(dǎo)致壓力驟減，當(dāng)壓力下降到油液的飽和蒸氣壓時(shí)，節(jié)流閥片周圍油液中將會(huì)有氣體析出，并逐漸轉(zhuǎn)變成大氣泡。由于油液中混有大氣泡，導(dǎo)致油液呈現(xiàn)不聯(lián)系狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為油液減振器的氣穴現(xiàn)象。

1.復(fù)原閥(伸張閥) 2.壓縮閥 3.補(bǔ)償閥 4.流通閥 5.工作筒6.儲(chǔ)油筒 7.防塵墊 8.導(dǎo)向座 9.油封 10.活塞桿 圖1 油液減振器結(jié)構(gòu)

圖2 氣穴現(xiàn)象形成原理

2 CFD數(shù)值方法

CFD無論具有什么形式，都需要以經(jīng)典流體力學(xué)的3個(gè)基本控制方程——連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程為基礎(chǔ)[11]。在實(shí)際的計(jì)算時(shí)，還需要考慮不同的流態(tài)，如層流和湍流等。

2.1 連續(xù)性方程

在流場中，當(dāng)流體從一控制面流入控制體時(shí)，同時(shí)也會(huì)從另一控制面流出控制體，在這一過程中控制體內(nèi)的流體質(zhì)量會(huì)發(fā)生改變[12]。根據(jù)物理學(xué)上的質(zhì)量守恒定律，流入控制體的質(zhì)量與流出控制體的質(zhì)量之差會(huì)等于控制體內(nèi)部增加的流體質(zhì)量，因此可以得出流體連續(xù)性方程的積分形式，流體具體的數(shù)學(xué)積分形式為：

(1)

式中，ρ為液體密度；V為控制體積；S為控制面積。等式左邊第一項(xiàng)表示控制體內(nèi)部流體質(zhì)量的增加率；第二項(xiàng)表示通過控制面流出整個(gè)控制體的質(zhì)量凈流量。

在直角坐標(biāo)下可以將此積分形式化為微分形式：

式中，u、v、w分別表示流體速度的3個(gè)分量。

2.2 動(dòng)量方程

在一個(gè)給定的流體系統(tǒng)當(dāng)中，流體動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于作用在其表面的外力之和[13]，這三維是物理學(xué)上流體的動(dòng)量守恒規(guī)律，其微分表達(dá)式為：

(3)

式中，pxx，pxy，pxz，pyy，pyz和pzz分別表示流體內(nèi)應(yīng)力張量的分量；Fbx，F(xiàn)by和Fbz表示單位流體質(zhì)量的質(zhì)量力在x，y，z3個(gè)方向的分量。

2.3 能量方程

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得到:流體微團(tuán)內(nèi)能量變化率=流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量+體積力和表面力對微團(tuán)做功的功率，所以可以用有關(guān)的流體物理量將流體的能量方程表示出來，具體為:

(4)

3 油液減振器建模分析

3.1 模型假設(shè)與簡化

考慮到減振器三維流體模型計(jì)算量龐大，在不偏離實(shí)際運(yùn)用的基礎(chǔ)上，對減振器流體模型進(jìn)行了假設(shè)和簡化，具體的簡化措施為：

(1) 忽略減振器內(nèi)部油液的可壓縮性[14]。忽略一些對減振器阻尼特性影響不大的結(jié)構(gòu)，如：墊片、密封環(huán)和螺母等。

(2) 忽略減振器疊加閥片之間的摩擦，忽略活塞桿與導(dǎo)向座之間的摩擦[15]。

(3) 減振器儲(chǔ)油筒和工作缸做剛體處理，采用減振器的1/4模型進(jìn)行仿真[16]。

3.2 減振器復(fù)原閥流體模型

建立如圖3所示的復(fù)原閥流體模型。由圖3可知，根據(jù)復(fù)原閥流場特點(diǎn)，該模型由上油腔、核心腔和下油腔構(gòu)成[17]，將模型的對稱工具面設(shè)置為了流體的對稱面，復(fù)原閥流體模型的上油腔為流體的入口，下油腔為流體的出口，核心腔為油液沖擊復(fù)原閥的開閥區(qū)域，周圍壁面設(shè)置為無滑移的壁面。

圖3 復(fù)原閥流體模型

3.3 減振器復(fù)原閥網(wǎng)格模型

減振器復(fù)原閥網(wǎng)格的模型如圖4所示，此流體網(wǎng)格模型在ICEM中進(jìn)行劃分。由圖4可知，由于油液減振器核心腔流場變化劇烈，因此減振器的核心腔劃分為致密的四面體網(wǎng)格；上油腔和下油腔流場變化平緩，為了減少計(jì)算量，上油腔和下油腔被劃分為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量合計(jì)為484931個(gè)。為了仿真結(jié)果更加精確，在活塞和復(fù)原閥之間添加預(yù)留液體間隙層[18]。減振器油液的所有的變量建立在拐點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處，計(jì)算數(shù)值準(zhǔn)確，計(jì)算變量插值時(shí)具有較好的二階精度。

圖4 復(fù)原閥流體網(wǎng)格

3.4 材料和邊界條件設(shè)置

在Fluent流體軟件中進(jìn)行減振器氣穴現(xiàn)象分析，設(shè)定參考壓強(qiáng)p為0[19]，所用油液的運(yùn)動(dòng)黏度γ為13.28 mm2/s，密度ρ為880 kg/m3，黏度指數(shù)vi為196；求解方法采用標(biāo)準(zhǔn)的k-w模型，由于氣泡可以溶解于油液，同時(shí)為了確保計(jì)算結(jié)果精確，因此使用開啟多相流Eulerian模型；設(shè)置油液為第一相，空氣為第二相，并設(shè)置兩相的空化作用，選擇的空化模型為Zwart-Gerber-Belamri[20],空氣壓力設(shè)置為0.0342 MPa,其他選項(xiàng)保持默認(rèn)值；采用速度型流體入口和壓力型流體出口，且入口處水體積分?jǐn)?shù)設(shè)為100%；使用UDF(用戶自定義函數(shù))的動(dòng)網(wǎng)格宏對疊加閥片進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格自定義編程，同時(shí)使用UDF來實(shí)現(xiàn)入口速度大小隨時(shí)間作拋物線變化[21]。

3.5 CFD求解設(shè)置

為了縮短仿真時(shí)間，同時(shí)得到更加準(zhǔn)確的流體仿真結(jié)果，有必要對在Fluent中進(jìn)行仿真計(jì)算的求解設(shè)置。

(1) 為了仿真可以更好的收斂，同時(shí)兼顧仿真的準(zhǔn)確性，取松弛因子為0.6；

(2) 采用適用于瞬態(tài)流體分析的PISO算法對仿真進(jìn)行求解，提高仿真結(jié)果的精確性[22]；

(3) 仿真總時(shí)間設(shè)置為1 s，時(shí)間步長0.001 s，總仿真步數(shù)為1000步。

4 CFD仿真結(jié)果分析

4.1 空穴現(xiàn)象分布位置分析

當(dāng)t=0.21 s,v=0.37 m/s時(shí)，油液減振器具體的氣相分布云圖和示功圖如5所示，由圖5的氣相分布云圖可知，由于油液沖擊節(jié)流閥片，節(jié)流閥片開始有輕微的開閥，由于節(jié)流損失的存在性，節(jié)流閥片和活塞孔附近的壓力下降[23]，導(dǎo)致油液減振器的氣穴現(xiàn)象首先在節(jié)流閥片和活塞孔附近生成，但氣穴現(xiàn)象不明顯，由圖5的示功圖可知，示功圖比較飽滿，油液阻尼力F較小，大約為60 N，此時(shí)油液減振器工作正常；當(dāng)t=0.48 s,v=0.62 m/s時(shí)，具體的氣相分布云圖和示功圖如圖6所示，由圖6的氣相分布云圖可知，此時(shí)節(jié)流閥片已部分開閥，由于油液速度和節(jié)流損失的增大，導(dǎo)致油液壓力下降變快，因此氣穴現(xiàn)象較明顯，同時(shí)氣穴沿著節(jié)流閥片上邊緣分布，由圖6的示功圖可知，示功圖開始產(chǎn)生畸變，油液阻尼力F較大，大約為400 N，此時(shí)油液減振器工作稍微異常；當(dāng)t=1 s,v=1.04 m/s時(shí)，油液減振器具體的氣相分布云圖和示功圖如圖7所示，由圖7的氣相分布云圖可知，節(jié)流閥片已完全打開，油液節(jié)流損失達(dá)到最大，節(jié)流閥片處的壓力降到最小，同時(shí)油液速度也達(dá)到最大，此時(shí)氣穴現(xiàn)象最明顯，氣穴布滿節(jié)流閥片周圍，且有向下腔蔓延的趨勢，由圖7的示功圖可知，示功圖已畸變，油液阻尼力F達(dá)到最大，大約為800 N，此時(shí)油液減振器工作異常，工作環(huán)境惡劣，油液減振器極易損壞。圖8為實(shí)驗(yàn)中測試的氣穴分布狀況，由圖8可知，油液減振器氣穴在節(jié)流閥片周圍分布，且隨著活塞桿速度增大氣穴現(xiàn)象更加嚴(yán)重，驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

圖5 油液減振器氣相分布云圖和示功圖(t=0.21 s,v=0.37 m/s)

圖6 油液減振器氣相分布云圖和示功圖(t=0.48 s,v=0.62 m/s)

圖7 油液減振器氣相分布云圖和示功圖(t=1 s,v=1.04 m/s)

圖8 實(shí)驗(yàn)中測試的氣穴分布狀況

4.2 溫度對氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的影響

減振器氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生受到多因素的影響，其中影響最大的因素為溫度[24]。油液減振器油液中通常溶解了一定量的空氣，當(dāng)油液的壓力低于空氣的飽和蒸氣壓時(shí)，油液中的氣體將會(huì)逐漸散發(fā)出來，此時(shí)氣穴現(xiàn)象隨之產(chǎn)生。其中油液的壓力變化受到油液溫度的影響，具體為：在其他因素恒定的情況下，溫度越高，油液壓力越大，則不容易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象；溫度越低，油液壓力越小，則氣穴現(xiàn)象容易產(chǎn)生[25]。當(dāng)車輛行駛在凹凸不平的路面上時(shí)，油液減振器的活塞桿速度會(huì)越來越大，此時(shí)減振器油液溫度也會(huì)越來越高，導(dǎo)致油液的壓力越來越大，氣穴現(xiàn)象也將會(huì)逐漸消失，但減振器長期工作在高速情況下很容易損壞。

為了驗(yàn)證上訴理論，在Fluent流體軟件中進(jìn)行減振器氣穴現(xiàn)象分析，為更好的分析溫度對油液減振器氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的影響，在速度v=1.04 m/s，溫度分別為T=300 K、T=330 K和T=350 K的情況下進(jìn)行了多相流仿真，此時(shí)氣穴現(xiàn)象分布明顯，更容易進(jìn)行分析和研究。得到的仿真結(jié)果如圖9所示，圖9為油液減振器在不同溫度下的氣相分布云圖，由圖9可知，當(dāng)T=300 K時(shí)，油液減振器氣穴現(xiàn)象分布最明顯，氣穴布滿節(jié)流閥片周圍，且有向下油腔蔓延的趨勢。由此證明：在其他因素恒定的情況下，溫度越低，油液減振器的氣穴現(xiàn)象越明顯，驗(yàn)證了上述理論。

圖9 油液減振器不同溫度下的氣相分布云圖

5 油液減振器試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證油液溫度對減振器氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的影響，同時(shí)為了驗(yàn)證Fluent多相流仿真的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了減振器示功試驗(yàn)。

本研究的試驗(yàn)設(shè)備為上海交通大學(xué)儀器工程系生產(chǎn)的型號(hào)為QJ-4A-10的減振器伺服示功機(jī)，為了減少試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)結(jié)果采用多個(gè)減振器試驗(yàn)的平均值，本試驗(yàn)在DELL Precision T3620工作站上進(jìn)行計(jì)算，具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖10所示。

圖10 減振器伺服示功機(jī)

油液減振器示功圖的畸變程度反應(yīng)了氣穴的生成情況，具體為：畸變程度越大，則油液氣穴現(xiàn)象越明顯。圖11為其他因素一定，油液減振器在油液溫度T分別為290，310，330，350 K下的示功圖，由圖11可知，其他因素一定的情況下，當(dāng)油液溫度T為290 K時(shí)，示功圖面積最大且產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變，說明此溫度下油液減振器氣穴現(xiàn)象最明顯；其他因素一定的情況下，當(dāng)油液溫度T為350 K時(shí)，示功圖面積最小且產(chǎn)生了輕微的畸變，說明此溫度下油液減振器氣穴現(xiàn)象不明顯。因此驗(yàn)證了其他因素一定的情況下，油液溫度越低，油液減振器的氣穴現(xiàn)象越明顯。

圖11 油液減振器在不同溫度下的示功圖

6 結(jié)論

(1) 本研究搭建了較高精度的減振器三維流體模型, 獲得了油液減振器氣穴產(chǎn)生的具體位置和分布情況，分析研究了不同溫度對氣穴產(chǎn)生的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；

(2) 氣穴現(xiàn)象主要分布于減振器節(jié)流閥片周圍，隨著活塞速度的增大，氣穴現(xiàn)象更加明顯；其他因素不變，油液的溫度越低，氣穴現(xiàn)象更加嚴(yán)重；

(3) 采用CFD數(shù)值方法可以獲得油液減振器氣穴產(chǎn)生的分布情況，同時(shí)分析了溫度對油液減振器氣穴產(chǎn)生的影響，對抑制油液減振器氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生和解決油液減振器的噪聲問題具有重要的實(shí)際參考價(jià)值。