溫度變化對液壓油發(fā)光的影響

段博崧，姜繼海，張健，胡志棟，車明陽

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 流體傳動及控制研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1934年，學(xué)者們在研究超聲引起的氣穴現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)了發(fā)光現(xiàn)象，由于是超聲引起的氣穴發(fā)光因此將這種現(xiàn)象定義為聲致發(fā)光。聲致發(fā)光是熱門研究課題之一。陳偉中等[1]總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀得出聲致發(fā)光的強(qiáng)度與液體溫度等因素有關(guān)。Yasui[2]研究了氣穴發(fā)光時氣泡壁處液體溫度隨時間變化的規(guī)律。謝志行等[3]提出韌致輻射理論是目前人們接受的聲致發(fā)光理論。盧美君[4]進(jìn)行了單泡聲致發(fā)光實驗，得出低溫有利于單泡聲致發(fā)光的結(jié)論。Dezhkunov[5]通過研究表明液體溫度對超聲引起的聲致發(fā)光的影響是會隨著超聲強(qiáng)度的不同而不同。申建華[6]探究了不同溫度對諧振器驅(qū)動發(fā)光的最佳頻率的影響，結(jié)果表明隨著溫度的升高，頻寬及最佳頻率均增大。朱秀麗[7]發(fā)現(xiàn)氣穴是聲致發(fā)光的基礎(chǔ)，并且通過試驗證明了溫度對聲致發(fā)光有很大的影響。Germano等[8]探究了單泡聲致發(fā)光閾值與水溫的關(guān)系。Levinsen[9]通過實驗獲得了氣穴發(fā)光光譜函數(shù)。安宇[10]探究了聲致發(fā)光的特點，并提出發(fā)光與氣泡的溫度、壓力及液體種類均有關(guān)。張文娟等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，氣泡內(nèi)氣體的溫度和壓強(qiáng)越高，發(fā)光越強(qiáng)。張健等[12]研究了液壓系統(tǒng)中氣穴產(chǎn)生及其發(fā)展過程與液壓油溫度變化的關(guān)系。Sadighi等[13]研究了不同的壓力及溫度，對不同濃度的溶液及不同頻率的聲波作用下，氣泡半徑的變化及氣泡壁震蕩速率的影響。溫度是影響液壓閥發(fā)光的影響因素之一，因此本文以液壓節(jié)流錐閥為研究對象，在不同油液溫度條件下，探究溫度對發(fā)光現(xiàn)象的影響。

1 理論和數(shù)值模擬

1.1 基礎(chǔ)理論

氣泡發(fā)光現(xiàn)象是由于氣泡破裂引發(fā)韌致輻射，才導(dǎo)致發(fā)光現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以說發(fā)光現(xiàn)象的產(chǎn)生原因就是氣泡的破裂。本文進(jìn)行的理論推導(dǎo)是基于經(jīng)典的Rayleigh-Plesset氣泡運動方程，并考慮到溫度變化的因素對周圍液體粘度的影響。本文基于以下假設(shè)進(jìn)行推導(dǎo)：1)流體是不可壓縮的；2)氣泡始終保持圓形；3)液體壓力場恒定；4)液體的粘度μ≠0，且液體粘度與溫度呈線性關(guān)系。

經(jīng)典的Rayleigh-Plesset氣泡運動方程為：

(1)

式中：R為氣泡半徑；μ為液壓油動力粘度，Pa·s；σ為氣泡的表面張力系數(shù)，N/m；p∞為無窮遠(yuǎn)處的油液壓力，Pa；p為氣泡內(nèi)的壓力，Pa。

氣泡內(nèi)的壓力可以表示為：

p=pV+pg

(2)

式中pV、pg為瞬時氣泡內(nèi)的空氣分壓，Pa。

不考慮氣泡內(nèi)氣體與液體的熱交換，將氣泡的熱力學(xué)過程視為絕熱過程，則有：

(3)

式中：p0為初始?xì)馀輧?nèi)的空氣分壓力，Pa；R0為氣泡的初始半徑，m；k為絕熱指數(shù)。

將式(2)與式(3)同時代入式(1)中，可以得到：

(4)

由式(4)得氣泡徑向運動速度為：

(5)

由于液體粘度與溫度呈線性關(guān)系，則有：

μ=nT

(6)

式中n為粘度與溫度之間的比例系數(shù)，Pa·s/K。

將式(6)代入到式(5)中，可以得到：

(7)

式(7)描述了液體溫度對氣泡收縮速率的影響。在液壓系統(tǒng)中，氣穴產(chǎn)生處一定是壓力的最低處，隨著氣泡的流動，氣泡所處區(qū)域壓力會越來越大，氣泡也會越來越小，直至壓破爆裂。氣泡的初始半徑R0一定是最大值，這也就保證了溫度與氣泡的收縮速率是正相關(guān)的，所以當(dāng)溫度越低時，氣泡收縮速率越慢，相應(yīng)的破裂的時間也會變長，也就意味著會減弱氣穴的發(fā)光現(xiàn)象。

1.2 數(shù)值模擬

仿真模型如圖1所示。閥芯錐角45°，閥芯直徑4 mm，開口寬度1 mm。

圖1 閥芯模型Fig.1 Valve core model

仿真中進(jìn)口壓力設(shè)置為4 MPa，出口壓力設(shè)置為0，油液初始溫度分別設(shè)置為0、10、20、30、40 ℃。

40 ℃時液體參數(shù)如表1所示。閥口開度選擇6 mm。液壓油運動粘度隨溫度變化，如表2所示[14]。從表2以中可以看到32號抗磨液壓油在0、10、20、30、40、50、60 ℃時對應(yīng)的運動粘度分別280、140、81.75、46.54、28.80、19.04和13.28 mm2/s，對應(yīng)的動力粘度分別為0.231 4、0.124 6、0.072 8、0.041 4、0.027 5、0.018 2和0.012 7 Pa·s。

表1 流體介質(zhì)參數(shù)表Table 1 Fluid medium parameter

表2 液壓油運動粘度隨溫度變化數(shù)值表Table 2 Kinematic viscosity of hydraulic oil varies with temperature

在仿真時設(shè)置閥口開度為6 mm，閥進(jìn)口壓力為4 MPa，出口壓力為0 MPa，改變液壓油的溫度，獲得內(nèi)部流場情況。

圖2所示為液壓油溫度從0 ℃到60 ℃情況下的氣穴情況(圖中圈中部分代表氣穴產(chǎn)生處)。

從圖2可知，在油液溫度0 ℃時，沒有產(chǎn)生氣穴，油液溫度達(dá)到10 ℃時，產(chǎn)生了微弱的氣穴，當(dāng)油液溫度達(dá)到20 ℃時，氣穴氣泡已經(jīng)填滿半個流道，當(dāng)油液溫度達(dá)到30 ℃以后，氣穴氣泡已經(jīng)將流道堵塞，當(dāng)油液溫度達(dá)到40 ℃以后，氣穴強(qiáng)度基本不變。綜上所述，當(dāng)?shù)蜏貢r會抑制氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，隨著溫度的升高，氣穴現(xiàn)象會越來越嚴(yán)重，直至穩(wěn)定。

圖2 液壓油0 ℃～60 ℃情況下的相位云圖Fig.2 Phase cloud of hydraulic oil from 0 ℃ to 60 ℃

注：1.液壓泵；2.溢流閥；3、7、8.壓力傳感器；4.溫度傳感器；5.節(jié)流閥旋鈕；6.被測節(jié)流口；9.節(jié)流閥；10.流量傳感器；11.回油過濾器；12.攝像機(jī)圖3 液壓節(jié)流錐閥閥口液壓油發(fā)光試驗系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of hydraulic oil luminescence test system for valve port of hydraulic throttle cone valve

2 氣穴發(fā)光試驗研究

為觀察氣穴發(fā)光現(xiàn)象，本文搭建了如圖3所示試驗系統(tǒng)，試驗臺實物如圖4所示。

試驗閥采用高透明度的有機(jī)玻璃材料制造，通過調(diào)節(jié)旋鈕5固定閥芯開度；調(diào)節(jié)溢流閥2和節(jié)流閥9可控制模型閥的進(jìn)口壓力和出口壓力；壓力傳感器3、7、8采集模型閥的閥前、閥口以及閥后處的壓力；溫度傳感器4用來測量液壓油的溫度變化；流量傳感器10采集流量。實驗采用32號抗磨液壓油，閥口開度6 mm，進(jìn)口壓力4 MPa，出口壓力0 MPa，溫度0～60 ℃。

試驗過程為固定進(jìn)口壓力4 MPa、出口壓力0 MPa，改變液壓油的溫度，觀察發(fā)光現(xiàn)象，并用攝像機(jī)對發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行拍照，并記錄流量數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)曲線圖，試驗照片如圖5所示。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在0 ℃～3 ℃不會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，4 ℃時會產(chǎn)生輕微的氣穴現(xiàn)象，但是沒有發(fā)光現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到5 ℃的時候，會在閥出口處產(chǎn)生微弱的發(fā)光現(xiàn)象，隨著溫度的逐漸升高，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣穴現(xiàn)象，發(fā)光現(xiàn)象也越來越強(qiáng)烈，當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃以后，發(fā)光強(qiáng)度基本不變。

圖6為液壓油溫度變化與流量變化。在圖6中可以看到隨著溫度的升高，流經(jīng)閥口的流量逐漸增大至最終趨于穩(wěn)定，0 ℃～3 ℃時，曲線斜率偏低，流量增長緩慢，無氣穴現(xiàn)象也無發(fā)光現(xiàn)象，在3 ℃后斜率突增，為開始產(chǎn)生氣穴且伴隨有發(fā)光現(xiàn)象，在25 ℃流量趨勢稍有減弱趨勢，發(fā)光現(xiàn)象稍微減弱，在40 ℃之后，流量不再變化，對應(yīng)發(fā)光現(xiàn)象變化不大。

圖4 液壓油發(fā)光試驗臺Fig.4 Hydraulic throttle cone valve port hydraulic oil luminous experimental bench

圖5 液壓節(jié)流錐閥閥口不同溫度情況下的發(fā)光圖Fig.5 Hydraulic throttle cone valve under the circumstances of the valve bubble luminous picture

圖6 液壓油溫度變化與流量變化的曲線Fig.6 The curve of the hydraulic oil temperature change and the flow rate change

液壓油的發(fā)光現(xiàn)象是氣穴產(chǎn)生的大量氣泡破裂所引起的，通過分析可知，隨著液壓油溫度的升高，提高了油液的飽和蒸氣壓，使氣穴現(xiàn)象嚴(yán)重，大量氣泡破裂，導(dǎo)致液壓油發(fā)光現(xiàn)象越加明顯；且隨著液壓油溫度的升高，液壓油粘度降低，通過閥口的流量增大，使得閥口的流速增大，導(dǎo)致氣穴現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)光越加明顯，當(dāng)流量達(dá)到最大值以后，氣穴現(xiàn)象達(dá)到飽和，也會使得發(fā)光現(xiàn)象也趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)在一定范圍內(nèi)隨著溫度升高，發(fā)光現(xiàn)象越來越明顯。

2)當(dāng)油溫低于0 ℃時，發(fā)光現(xiàn)象消失；在溫度高于40 ℃后，發(fā)光現(xiàn)象飽和趨于穩(wěn)定。

3)本文的研究為液壓氣穴的理論研究提供了理論和試驗參考。

由于溫度超過60 ℃之后，系統(tǒng)密封性能降低，會有漏油現(xiàn)象，對試驗結(jié)果會有影響，所以接下來的研究可以改善試驗臺的密封性，做更高溫度的試驗，從而進(jìn)一步完善溫度對發(fā)光現(xiàn)象影響的結(jié)論。