水基TiC納米流體液壓管道流動(dòng)特性研究

王志強(qiáng)，吳張永，徐初旭，蔣佳駿，朱啟晨

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650500)

0 前言

液壓傳動(dòng)是利用液體壓力能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)方式，易實(shí)現(xiàn)大范圍無(wú)級(jí)調(diào)速、易于控制、傳動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)迅速，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。液壓工作介質(zhì)作為傳動(dòng)的“動(dòng)脈血液”，起著傳遞動(dòng)力、信號(hào)、潤(rùn)滑等作用[2]。納米流體是指將納米級(jí)的粒子分散到基液中，形成均勻、穩(wěn)定的新型功能流體[3-5]。水基納米流體相較于礦物型液壓介質(zhì)環(huán)保性好、可用于高溫明火環(huán)境，相較于純水液壓介質(zhì)黏度高、潤(rùn)滑性好、密封性強(qiáng)[6-7]。

納米TiC具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性等優(yōu)異性能，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、礦產(chǎn)冶煉和航空航天等領(lǐng)域[8-11]。采用納米TiC顆粒制備的納米流體具有環(huán)保性、潤(rùn)滑性、流變特性等，將納米流體用作液壓傳動(dòng)介質(zhì)，可滿足液壓傳動(dòng)的基本性能要求。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)TiC納米流體的研究較多，但將它用作液壓傳動(dòng)介質(zhì)并研究管道流動(dòng)特性卻鮮有報(bào)道。ALI[12]對(duì)完全湍流狀態(tài)下的SiO2/水納米流體在銅管中的內(nèi)部對(duì)流換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)致納米流體熱導(dǎo)率的提高，增強(qiáng)了管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)。ABBASIAN ARANI和AMANI[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水基TiO2納米流體流經(jīng)管道時(shí)，管道內(nèi)的雷諾數(shù)增大，納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，努塞爾數(shù)和壓降也隨之增加。楊縱等人[14]研究發(fā)現(xiàn)：Al2O3/H2O納米流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，隨著納米流體體積分?jǐn)?shù)的增大，換熱效果增強(qiáng)，壓降梯度上升。上述研究均未涉及納米流體在復(fù)雜液壓管路的流動(dòng)特性以及粒子在管路中的運(yùn)動(dòng)軌跡。在液壓系統(tǒng)中，液壓介質(zhì)流經(jīng)管道時(shí)會(huì)發(fā)生能量耗散，造成壓力損失和溫度上升，降低液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作效率。納米流體作為兩相流體，以液壓傳動(dòng)介質(zhì)在液壓管路中流動(dòng)時(shí)能量損失更加復(fù)雜，能量耗散也更加明顯，因此有必要研究納米流體的液壓管道壓力損失、溫度變化及流動(dòng)狀態(tài)，為納米流體在液壓傳動(dòng)介質(zhì)上的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和參考。

本文作者采用“兩步法”制備水基TiC納米流體。采用Fluent軟件建立L形管道和T形管道模型，對(duì)水基TiC納米流體和32號(hào)液壓油在液壓管道中進(jìn)行流動(dòng)仿真分析；搭建液壓管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)。

1 管道流動(dòng)理論

1.1 管道壓力損失

液壓介質(zhì)流經(jīng)液壓管道時(shí)會(huì)發(fā)生能量耗散，造成壓力損失，耗散主要源于液壓介質(zhì)與管道內(nèi)壁的摩擦。

(1)沿程壓力損失

圓形截面壓力損失可由Darcy-Weissenberg公式求得[15]：

(1)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為管道沿程長(zhǎng)度，mm；d為管道直徑，mm；v為管內(nèi)平均速度，m/s。

(2)局部壓力損失

局部壓力損失可由下式求得：

(2)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)；v為平均流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

1.2 湍流理論模型

流體的流動(dòng)狀態(tài)可以通過(guò)雷諾數(shù)和臨界雷諾數(shù)進(jìn)行判別，當(dāng)管道的截面為圓形時(shí)，其雷諾數(shù)可由下式計(jì)算得出：

Re=vd/υ

(3)

式中：v為流體的平均流速，m/s；υ為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，N·s/m2。

常用的液壓管道以2 000～2 300雷諾數(shù)作為層流與紊流的分界點(diǎn)，大于此分界點(diǎn)為層流，小于此分界點(diǎn)為紊流。

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型適用范圍廣，同時(shí)又具有合理的精度，因此在高雷諾數(shù)的流場(chǎng)和熱交換模擬中得到了廣泛的應(yīng)用[16-17]。

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型是一種高雷諾數(shù)湍流模型?？紤]到流體是在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的管道中流動(dòng)，管道內(nèi)徑較小，壓力較大，因此管道內(nèi)的雷諾數(shù)往往較高，且在模擬計(jì)算時(shí)需要考慮到換熱的問(wèn)題，故選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型。

湍動(dòng)能κ方程：

Gb-ρε-YM+Sκ

(4)

湍動(dòng)耗散率ε方程：

(5)

式中：μt為湍流黏性系數(shù)；Gκ為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε、σκ、σε皆為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 DPM模型

在離散相模型中，粒子與流體的相互作用通過(guò)粒子之間的作用力表示。Fluent中通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程求解離散型顆粒的軌跡[18]。顆粒的作用力平衡方程為

(6)

其中：FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力：

(7)

式中：u為流體相速度；up為顆粒速度；μ為流體動(dòng)力黏度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑。

Re為顆粒雷諾數(shù)，其定義為

(8)

曳力系數(shù)可采用以下表達(dá)式：

(9)

2 水基TiC納米流體制備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中所用材料為：RO反滲透膜處理水、TiC顆粒(平均粒徑30 nm)、分散劑羧甲基纖維素鈉(CMC)。

實(shí)驗(yàn)中涉及的設(shè)備為：FA2204B電子天平、JH-100數(shù)顯恒溫電動(dòng)攪拌器、KQ超聲波分散儀、SNB-1數(shù)顯黏度計(jì)、HH-6恒溫水浴箱。

2.2 制備步驟

納米流體采用“兩步法”制備，將納米TiC顆粒與一定量的基液、分散劑混合，攪拌、超聲后制得穩(wěn)定的水基TiC納米流體，具體制備步驟如圖1所示。

圖1 水基TiC納米流體制備流程

2.3 水基TiC納米流體

圖2所示為添加分散劑的水基TiC納米流體的透射電鏡圖，可以看出：TiC顆粒的形狀有球狀、六方體以及一些不規(guī)則形狀，納米顆粒在基液中基本上沒(méi)有重疊現(xiàn)象，大多以單一顆粒的形式存在，且顆粒表面存在包覆層，包覆層厚度均勻，說(shuō)明文中制備的納米流體被分散劑所包覆，具有良好的分散穩(wěn)定性。

圖2 水基TiC納米流體TEM圖

3 管道流動(dòng)特性仿真

3.1 Fluent簡(jiǎn)介

Fluent可用于對(duì)流體、熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行求解，具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能。

3.2 物理模型建立

3.2.1 模型建立

L形管道選用2根外徑14 mm、內(nèi)徑12 mm、長(zhǎng)10 cm的銅管與L形管接頭(GB/T 3740.1)組合而成；T形管道選用3根外徑14 mm、內(nèi)徑12 mm、長(zhǎng)7.5 cm的銅管與T形管接頭(GB/T 3745)組合而成。管道內(nèi)部流域如圖3所示。

圖3 管道內(nèi)部流域

3.2.2 模型網(wǎng)格劃分

采用Mesh網(wǎng)格劃分模塊對(duì)管道內(nèi)部網(wǎng)格流域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖4所示，其流域均設(shè)為單元尺寸0.5 mm，膨脹過(guò)渡比為0.272，最大層數(shù)為10，增長(zhǎng)率為1.2。

圖4 不同管道內(nèi)部流域的網(wǎng)格

數(shù)值仿真結(jié)果的精度受網(wǎng)格質(zhì)量的影響，網(wǎng)格劃分完成后用偏度對(duì)各個(gè)模型網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，其中L形管的最大偏度為0.820 76，T形管的最大偏度為0.716 75，網(wǎng)格質(zhì)量滿足仿真要求。

3.3 管道流動(dòng)特性仿真分析

3.3.1 L形管流動(dòng)特性仿真分析

在液壓工程機(jī)械中，L形管用于在工作油路中輸送液壓介質(zhì)，同時(shí)起到一定的散熱作用，因此對(duì)液壓傳動(dòng)介質(zhì)在L形管中的壓力損失、流場(chǎng)流速、溫度變化以及納米流體的粒子軌跡進(jìn)行數(shù)值仿真研究。

分別對(duì)32號(hào)液壓油和水基TiC納米流體在入口壓力為1、2、3、4、5、6 MPa時(shí)的流動(dòng)特性進(jìn)行了仿真。為了便于對(duì)比觀察，選取了入口壓力為1 MPa和6 MPa時(shí)的壓力云圖、速度云圖和出口溫度云圖進(jìn)行展示。

流體流經(jīng)L形管道拐角時(shí)，沿壁面的流體層在離心力、徑向壓力梯度的共同作用下發(fā)生平行于壁面的偏移，偏移距離大于遠(yuǎn)離壁面的流體層的偏移，形成垂直于主流的二次流。

圖5所示為L(zhǎng)形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的壓力云圖。當(dāng)液壓介質(zhì)流經(jīng)L形管道拐角處時(shí)，在拐角外側(cè)存在擴(kuò)散效應(yīng)，內(nèi)側(cè)存在收縮效應(yīng)，因此產(chǎn)生漩渦。漩渦流動(dòng)與軸向流動(dòng)之間存在極大的能量交換，產(chǎn)生二次流壓力損失，使得壓力急劇減小。直管段的沿程壓力損失和拐角處的二次流損失導(dǎo)致L形管道的壓力損失。在拐角內(nèi)側(cè)出流管段發(fā)生嚴(yán)重的湍流現(xiàn)象并產(chǎn)生負(fù)壓腔，負(fù)壓值隨著入口壓力的增加而增大。

圖5 L形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的壓力云圖

流體介質(zhì)具有良好的流動(dòng)性，管壁對(duì)流體介質(zhì)存在摩擦阻力。流體在直管段流動(dòng)時(shí)，管道中間流體流動(dòng)速度較快，由于管壁摩擦阻力的存在，流體流動(dòng)速度較緩慢，速度分布呈分層現(xiàn)象[19]。

圖6所示為L(zhǎng)形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的速度云圖。L形管道拐角處，二次流加強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，并使流動(dòng)速度提高，此處會(huì)發(fā)生流體流動(dòng)的分離以及流動(dòng)方向的變化，形成液體回旋，產(chǎn)生漩渦，引起出流管下方流體速度集中，使得該區(qū)域流體流速急劇增大，最大流速出現(xiàn)在該處。由于漩渦的存在，減小了管內(nèi)流體的有效流通面積，使得上方流體的流速較小。最大流速隨入口壓力的增大而增大，由于流體黏度的影響，同等入口壓力下，32號(hào)液壓油的最大流速大于水基TiC納米流體，壓力變化不會(huì)影響管道內(nèi)流體的速度分布。

圖6 L形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的速度云圖

在基液中加入納米粒子可以顯著增加基液的導(dǎo)熱系數(shù)。受分子間作用力的影響，納米粒子表面的液體分子排列十分緊密，形成界面層，使得液體分子的熱導(dǎo)率發(fā)生變化[20]。納米流體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生微對(duì)流現(xiàn)象，包括布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微對(duì)流和納米粒子的熱泳現(xiàn)象，導(dǎo)致流體整齊有序地流動(dòng)，導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)。

圖7所示為L(zhǎng)形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的出口溫度云圖。熱量沿管壁方向擴(kuò)散，管道中心區(qū)域溫度最高，越靠近管壁溫度越低。添加納米顆粒一方面能提高介質(zhì)自身的熱導(dǎo)率，另一方面由于納米顆粒在基液中做無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擾動(dòng)基液做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，換熱效果增強(qiáng)。同等入口壓力條件下，水基TiC納米流體的換熱效果要優(yōu)于32號(hào)液壓油。

圖7 L形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的出口溫度云圖

TiC納米粒子在彎管處的運(yùn)動(dòng)受自身慣性力、二次流的影響。納米顆粒穩(wěn)定懸浮在流體中，受到流體的攜帶作用，在管道內(nèi)的空間分布和流動(dòng)特性很大程度上由管內(nèi)流體的流場(chǎng)特征所決定。

圖8所示為L(zhǎng)形管道納米流體的粒子軌跡。粒子隨著流體從入口處垂直、均勻注入管道，在上游直管段內(nèi)平行流動(dòng)，到達(dá)拐角處時(shí)，粒子與管壁發(fā)生碰撞、反彈，粒子與管壁的碰撞以及粒子之間的相互碰撞使得粒子在拐角出流一側(cè)產(chǎn)生漩渦，如圖8(b)所示。由于二次流和慣性力的共同作用，粒徑越小，合速度越快，碰撞能越大，粒子與彎頭處碰撞次數(shù)較多，易產(chǎn)生沖蝕現(xiàn)象[21]。

圖8 L形管道納米流體的粒子軌跡

由圖9(a)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)L形管道的壓降隨入口壓力的增加而增大，水基TiC納米流體的壓降略低于32號(hào)液壓油。由圖9(b)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)L形管道的溫差隨著入口壓力的增加而減小，水基TiC納米流體的溫差高于32號(hào)液壓油。

圖9 L形管道仿真曲線

3.3.2 T形管流動(dòng)特性仿真分析

在液壓工程機(jī)械中，T形管用于回油油路中時(shí)，可以使不同油路中的液壓油一起輸運(yùn)回到油箱，簡(jiǎn)化管路。當(dāng)管道為T(mén)形管道時(shí)，設(shè)水平一端和垂直一端為入口，水平端入口壓力等于垂直端入口壓力，另一水平端為出口。對(duì)液壓傳動(dòng)介質(zhì)在T形管中的壓力損失、流場(chǎng)流速、溫度變化以及納米流體的粒子軌跡進(jìn)行數(shù)值仿真研究。

對(duì)32號(hào)液壓油和水基TiC納米流體在壓力入口1和入口2處壓力均為0.5、1、1.5、2、2.5、3 MPa時(shí)的流動(dòng)特性進(jìn)行仿真。為了便于對(duì)比觀察，選取入口壓力為0.5 MPa和3 MPa時(shí)的壓力云圖、速度云圖和出口溫度云圖進(jìn)行展示。

圖10所示為T(mén)形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的壓力云圖。液壓介質(zhì)在水平端入口和垂直端入口管路內(nèi)流動(dòng)時(shí)壓力比較穩(wěn)定，當(dāng)兩股介質(zhì)交匯時(shí)，由于流體的碰撞和流動(dòng)方向的改變，在出流口上端形成壓力較低的回流區(qū)，產(chǎn)生漩渦。壓力分布的不均勻?qū)е碌慕橘|(zhì)流動(dòng)不規(guī)則造成了T形管的局部壓力損失，出口端管路壓力出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，下層流體的壓力值要高于上層流體的壓力值，同時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的湍流現(xiàn)象并產(chǎn)生負(fù)壓腔，負(fù)壓值隨著入口壓力的增加而增大。

圖10 T形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的壓力云圖

圖11所示為T(mén)形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的速度云圖。在T形管道的交匯處，水流流速梯度較大，出現(xiàn)高流速區(qū)和低流速區(qū)。水平和垂直來(lái)流方向的兩股液壓介質(zhì)發(fā)生碰撞，強(qiáng)制改變了垂直端管路流體流向，出口管路流態(tài)變得極不穩(wěn)定。在流體剛進(jìn)入出口端管路時(shí)，流速急劇增大，最大流速出現(xiàn)在該處，流體向出口端流出，速度逐漸降低，同時(shí)速度分布出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，上層流體的速度值小于下層流體的速度值。在流體交匯處出口端管路上層區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)漩渦，減小了管內(nèi)流體的有效流通面積，導(dǎo)致出口端管路上方流體的速度較小。最大流速隨入口壓力的增加而增大，受流體黏度的影響，同等入口壓力下，32號(hào)液壓油的最大流速大于水基TiC納米流體，壓力變化不會(huì)影響管道內(nèi)流體的速度分布。

圖11 T形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的速度云圖

T形管道出口截面的溫度分布和換熱效果規(guī)律與L形管道的一致，如圖12所示。同等入口壓力條件下，水基TiC納米流體的換熱效果要優(yōu)于32號(hào)液壓油。

圖12 T形管道不同入口壓力下液壓介質(zhì)的出口溫度云圖

圖13所示為T(mén)形管道納米流體的粒子軌跡。粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡受流體流動(dòng)特性的影響，TiC納米粒子在流體的攜帶作用下，同時(shí)從垂直端入口和水平端入口注入，在上游直管內(nèi)穩(wěn)定平行流動(dòng)。在到達(dá)管路交匯處時(shí)，垂直管路粒子和水平管路粒子發(fā)生碰撞，改變了兩股粒子的流動(dòng)方向，使得粒子在交匯處管路兩側(cè)向中間聚攏，在出流管上端產(chǎn)生漩渦，如圖13(b)所示，并隨著流體從管道中流出。

由圖14(a)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)T形管道的壓降隨著入口壓力的增加而增大，水基TiC納米流體液壓傳動(dòng)介質(zhì)壓降略低于32號(hào)液壓油。由圖14(b)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)T形管道的溫差隨著入口壓力的增加而減小，在入口壓力相同的情況下，水基TiC納米流體液壓傳動(dòng)介質(zhì)溫差高于32號(hào)液壓油。

4 管道流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

在管道流動(dòng)特性數(shù)值模擬中，仿真結(jié)果表明：水基TiC納米流體的壓降低于32號(hào)液壓油，溫差高于32號(hào)液壓油。為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，需要搭建管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.1 管道流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)方案

圖15所示為L(zhǎng)形管道壓降實(shí)驗(yàn)原理。L形管道由2根等長(zhǎng)的銅管與L形管接頭組成，在連接管道時(shí)，分別在L形管道的入口和出口處各安裝1個(gè)壓力傳感器和溫度傳感器。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，全開(kāi)溢流閥，啟動(dòng)液壓泵，通過(guò)溢流閥調(diào)節(jié)管道入口P的壓力，記錄傳感器所采集的壓力和溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成L形管道的壓降實(shí)驗(yàn)。

圖15 L形管道壓降實(shí)驗(yàn)原理

圖16所示為T(mén)形管道壓降實(shí)驗(yàn)原理。T形管道是由3根等長(zhǎng)的銅管與T形管接頭組成，在連接管道時(shí)，分別在T形管道的2個(gè)入口和1個(gè)出口處各安裝1個(gè)壓力傳感器和溫度傳感器。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，全開(kāi)溢流閥，全關(guān)減壓閥，啟動(dòng)液壓泵，通過(guò)溢流閥和減壓閥調(diào)節(jié)管道入口P1、P2的壓力，記錄傳感器所采集的壓力和溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成T形管道的壓降實(shí)驗(yàn)。

圖16 T形管道壓降實(shí)驗(yàn)原理

4.2 管道流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)分析

(1)L形管實(shí)驗(yàn)分析

在圖17所示的L形管道液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，全開(kāi)溢流閥，啟動(dòng)液壓泵，調(diào)節(jié)溢流閥使其出口壓力為1 MPa，運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，當(dāng)油溫達(dá)到40 ℃時(shí)，記錄L形管道出口端的壓力和溫度變化。記錄完畢后，重復(fù)以上操作記錄入口溫度為40 ℃和入口壓力分別為1、2、3、4、5、6 MPa時(shí)出口端的壓力和溫度。

圖17 L形管道液壓實(shí)驗(yàn)

由圖18(a)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)L形管道的壓降隨著入口壓力的增加而增大，在入口壓力相同的情況下，水基TiC納米流體液壓傳動(dòng)介質(zhì)壓降始終低于32號(hào)液壓油。由圖18(b)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)L形管道的溫差隨著入口壓力的增加而減小，在入口壓力相同的情況下，水基TiC納米流體液壓傳動(dòng)介質(zhì)溫差始終高于32號(hào)液壓油。

圖18 L形管道實(shí)驗(yàn)曲線

(2)T形管實(shí)驗(yàn)分析

在圖19所示的T形管道液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，全開(kāi)溢流閥，啟動(dòng)液壓泵，調(diào)節(jié)溢流閥使其水平端入口壓力為0.5 MPa，然后調(diào)節(jié)減壓閥使其垂直端入口壓力為0.5 MPa，運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，當(dāng)油溫達(dá)到40 ℃后，記錄T形管道出口端的壓力和溫度變化。記錄完畢后，重復(fù)以上操作記錄入口溫度為40 ℃和入口壓力分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3 MPa時(shí)出口端的壓力和溫度數(shù)據(jù)。

圖19 T形管道液壓實(shí)驗(yàn)

在圖20(a)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)T形管道的壓降隨著入口壓力的增加而增大，在入口壓力相同的情況下，水基TiC納米流體液壓傳動(dòng)介質(zhì)壓降始終低于32號(hào)液壓油。由圖20(b)可知：液壓介質(zhì)流經(jīng)T形管道的溫差隨著入口壓力的增加而減小，在入口壓力相同的情況下，水基TiC納米流體液壓傳動(dòng)介質(zhì)溫差始終高于32號(hào)液壓油。

圖20 T形管道實(shí)驗(yàn)曲線

對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)的壓差曲線、溫差曲線可以看出：液壓介質(zhì)在L形管道和T形管道中流動(dòng)時(shí)，壓降與入口壓力呈正相關(guān)關(guān)系，溫差與入口壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；同等入口壓力條件下，水基TiC納米流體的壓降小于32號(hào)液壓油，水基TiC納米流體的溫差大于32號(hào)液壓油。水基TiC納米流體相較于32號(hào)液壓油，在液壓管道流動(dòng)時(shí)的壓力損失要小，同時(shí)導(dǎo)熱能力也得到增強(qiáng)。由于實(shí)驗(yàn)中難免存在誤差，導(dǎo)致仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有所不同，但最大誤差僅為11.48%，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，實(shí)驗(yàn)具有較高的可靠性。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)液壓介質(zhì)在管道中的流動(dòng)方向改變時(shí)，在離心力和慣性力的作用下會(huì)產(chǎn)生漩渦，減小了管內(nèi)有效流通面積，使得壓力急劇減小，造成壓力損失，同時(shí)伴隨著流速的減小。

(2)液壓介質(zhì)在L形管道和T形管道中流動(dòng)存在能量的損耗，隨著入口壓力的增加，液壓介質(zhì)的壓降增大，溫差減小。

(3)結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于L形管道和T形管道，在同等入口壓力下，水基TiC納米流體液壓介質(zhì)的壓降小于32號(hào)液壓油，溫差大于32號(hào)液壓油。水基TiC納米流體管道流動(dòng)時(shí)的能量損失較小，同時(shí)具備良好的傳熱能力，滿足液壓傳動(dòng)介質(zhì)的性能要求。