柴油機(jī)氣缸套空化現(xiàn)象與空蝕機(jī)理分析

韓峰,劉泉*,李宇寒,李晨陽,林杰威

(1. 內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊261061; 2. 濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東 濰坊261061; 3. 天津大學(xué)先進(jìn)內(nèi)燃動(dòng)力全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

空蝕是由于液體發(fā)生空化,使得金屬固體材料與流體接觸區(qū)域受到腐蝕出現(xiàn)蜂窩狀空洞或蠕蟲形孔洞的損傷現(xiàn)象,普遍發(fā)生在氣缸套、噴嘴[1]、水翼、水泵[2]等水力機(jī)械設(shè)備中.柴油機(jī)的缸套空蝕影響其可靠性和壽命[3].活塞橫向撞擊引起的高頻振動(dòng)致使缸套內(nèi)的冷卻液由于壓力變化發(fā)生空化現(xiàn)象,生成空化氣泡.在空泡潰滅時(shí)會(huì)對(duì)壁面產(chǎn)生微射流,具有破壞作用,引起疲勞損傷,造成柴油機(jī)缸套的空蝕.

許多學(xué)者對(duì)柴油機(jī)缸套的空蝕問題進(jìn)行了研究.夏冬生等[4]建立了部分冷卻水套三維模型,基于Fluent軟件對(duì)水腔中冷卻液進(jìn)行了空化流動(dòng)的數(shù)值模擬,分析了缸套壁面壓力與振動(dòng)速度和加速度之間的關(guān)系,同時(shí)研究了缸套壁面振動(dòng)頻率和振幅對(duì)冷卻液流場(chǎng)的影響.杜慧勇等[5]基于AVL-Fire軟件對(duì)施加壁面振動(dòng)的缸套進(jìn)行了仿真分析,研究了入口流速對(duì)冷卻水套內(nèi)部空化流動(dòng)的影響,發(fā)現(xiàn)入口流速較大時(shí)引起的空化區(qū)域更大.XU等[6]、ZHANG等[7]考慮傳熱、碰撞以及液體沖擊引起的氣泡大小變化,修正了氣泡直徑模型,并建立了一維燃燒與三維流動(dòng)耦合模型,研究了柴油機(jī)瞬態(tài)熱力特性,探究了提高冷卻系統(tǒng)工作效率的方法.ZHANG等[8]模擬了單缸水套的空化流動(dòng),結(jié)果表明具有較高蒸汽體積分?jǐn)?shù)的區(qū)域與實(shí)際缸套空蝕損傷位置吻合,驗(yàn)證了模擬方法的準(zhǔn)確性.除了在宏觀尺度上對(duì)缸套冷卻系統(tǒng)的空化流動(dòng)進(jìn)行研究,還有諸多學(xué)者探究了空化、空蝕發(fā)生的位置以及空泡潰滅的過程,從介觀尺度上揭示空蝕機(jī)理.XU等[9]研究了溫度、應(yīng)變率等因素對(duì)氣泡潰滅的影響規(guī)律,結(jié)果表明,應(yīng)變率增大,潰滅時(shí)間縮短;氣泡產(chǎn)生的射流壓力隨溫度的升高呈下降趨勢(shì).LI等[10]對(duì)空氣氣泡與空化氣泡聚合的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)空氣氣泡和空化氣泡的相對(duì)距離和半徑大小對(duì)聚合氣泡的潰滅有顯著影響.SARKAR等[11]探究了單個(gè)空泡潰滅對(duì)鋁合金、鎳鋁合金和不銹鋼等不同材料的固體壁面造成的塑性變形損傷.ZHAO等[12]提出了一種耦合浸沒邊界法和流體體積法的數(shù)值方法研究平板的彈性模量對(duì)氣泡潰滅的動(dòng)力學(xué)影響.JIN等[13]研究了凹槽邊界附近空泡的潰滅過程,結(jié)果表明,由于空泡與槽接觸時(shí)被吸附在壁面上,因此潰滅過程受到了顯著影響.

綜上,對(duì)柴油機(jī)缸套的空化流動(dòng)及空泡潰滅過程的研究已經(jīng)很多,但結(jié)合兩者探究缸套空蝕機(jī)理的研究較少.文中在對(duì)整機(jī)冷卻液流場(chǎng)模擬和單缸冷卻液空化數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,結(jié)合缸套壁面多空泡潰滅的仿真研究,分析在多空泡條件下,空泡間距和空泡數(shù)量對(duì)潰滅特性的影響,從宏觀和介觀尺度研究柴油機(jī)空化現(xiàn)象和空蝕機(jī)理.

1 單缸水套空化流動(dòng)研究

在對(duì)整機(jī)冷卻液水套進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,獲得了單缸水套的邊界條件,對(duì)單缸水套的邊界振動(dòng)加載,進(jìn)行空化流動(dòng)的瞬態(tài)模擬.

1.1 單缸水套計(jì)算模型

根據(jù)先前研究[14],柴油機(jī)整機(jī)水套冷卻液流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,各缸水套內(nèi)的壓力分布與流速分布合理且基本一致.因此,氣缸的選擇不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生顯著影響.文中研究以第5缸為例,缸體水套幾何模型中水腔最小寬度為2.5 mm,綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算規(guī)模,采用尺寸為1 mm的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為83萬,建立的單缸水套幾何與網(wǎng)格模型如圖1所示.

圖1 單缸柴油機(jī)冷卻水套幾何與網(wǎng)格模型

分別采用Mixture多相流模型、RNGk-ε湍流模型和Singhal空化模型進(jìn)行冷卻液的兩相流模擬.對(duì)柴油機(jī)單缸水套兩相流空化進(jìn)行瞬態(tài)模擬,提取整機(jī)水套模擬結(jié)果中第五缸各個(gè)進(jìn)出口處的冷卻液壓力pa與流速v,如表1所示.其中冷卻液的物性參數(shù)、計(jì)算的邊界條件和振動(dòng)邊界條件設(shè)置與之前研究[14]一致.本次仿真工作中,柴油機(jī)的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速為1 900 r/min,將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.25 ℃A對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)間,約為2.193×10-5s,對(duì)一個(gè)完整工作循環(huán)720 ℃A內(nèi)該單缸冷卻水套的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.

表1 單缸冷卻水套進(jìn)出口參數(shù)

1.2 單缸水套結(jié)果分析

圖2為曲軸轉(zhuǎn)角分別為8°,16°,24°和32°時(shí)缸套壁面的氣相體積分?jǐn)?shù)α云圖.

圖2 不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)缸套壁面的氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

觀察到在缸套壁面有部分冷卻液由液態(tài)轉(zhuǎn)化成了氣態(tài),可知活塞二階運(yùn)動(dòng)引起的缸套壁面振動(dòng),導(dǎo)致缸套內(nèi)的冷卻液局部壓力降低至其飽和蒸氣壓,從而發(fā)生空化現(xiàn)象.從8°到16°,氣相體積分?jǐn)?shù)增大,說明空化現(xiàn)象加劇,液態(tài)冷卻液汽化成蒸汽,以氣泡形態(tài)出現(xiàn);從16°到24°,氣相體積分?jǐn)?shù)下降,空化氣泡發(fā)生潰滅,此過程產(chǎn)生的微射流會(huì)損傷缸套壁面,引起空蝕;從24°到32°,氣相體積分?jǐn)?shù)有所增大,是由于冷卻液的空化現(xiàn)象隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化一直存在并且其強(qiáng)度隨時(shí)間變化,氣泡不斷生成和潰滅.為了探究微射流具有的壓力、速度等,有必要對(duì)空泡的潰滅過程進(jìn)行仿真分析,進(jìn)一步研究缸套的空蝕.

2 近壁面空泡潰滅過程研究

2.1 控制方程

對(duì)于空泡生長(zhǎng)的情況,RAYLEIGH[15]建立了不可壓縮流體中理想球形空泡的徑向運(yùn)動(dòng)方程,計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

式中:R0為空泡平衡半徑.

(4)

空泡潰滅過程中泡內(nèi)壓力p的計(jì)算式為

(5)

式中:r為距離空泡中心的極距.

由式 (5) 可知,空泡半徑R與泡內(nèi)壓力p為負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系.當(dāng)空泡潰滅時(shí),R→0,泡內(nèi)壓力增大,潰滅迸發(fā)出的微射流就會(huì)以極高的速度沖擊壁面,在微射流的不斷沖擊下,壁面極易受到損傷.

2.2 計(jì)算模型與邊界條件

對(duì)缸套近壁面空泡潰滅過程進(jìn)行數(shù)值模擬,空泡在壁面附近的計(jì)算域具有對(duì)稱性,因此采用二維軸對(duì)稱模型,計(jì)算域、邊界條件及網(wǎng)格模型如圖3所示.根據(jù)單缸柴油機(jī)的冷卻水道結(jié)構(gòu),計(jì)算域?qū)挾葹?.5 mm.計(jì)算域頂部和底部(缸套外壁)為剛性壁面條件,右側(cè)為壓力出口,左側(cè)為軸對(duì)稱邊界.采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分,為了更好地捕捉空泡的形狀變化,對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行加密.網(wǎng)格數(shù)為18.4萬,加密區(qū)域網(wǎng)格最小尺寸為5 μm×5 μm.

圖3 計(jì)算域、邊界條件和網(wǎng)格模型

對(duì)于含空泡的氣液兩相流動(dòng),采用流體體積法(volume of fluid, VOF) 求解空泡界面,采用壓力的隱式分割算法 (pressure-implicit with splitting of operators,PISO) 求解壓力-速度的耦合過程.柴油機(jī)冷卻水套的介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)為50% 的乙二醇溶液,設(shè)置流場(chǎng)的初始溫度為冷卻液的工作溫度363 K,空泡內(nèi)初始?jí)毫樵摐囟认吕鋮s液的飽和蒸氣壓53 110 Pa,冷卻液流場(chǎng)絕對(duì)壓力為柴油機(jī)的工作壓力300 kPa.

2.3 空泡潰滅過程分析

引入量綱一參數(shù)壁面距離γ,定義為空泡中心到壁面的距離與空泡最大半徑的比值.設(shè)置空泡的初始半徑為R=0.1 mm,分別研究γ=0.5,1.0和1.5時(shí)即附壁面空泡和壁面附近空泡的情況,空泡與壁面位置示意圖如圖4所示.

圖4 空泡與壁面位置示意圖

圖5為γ=0.5時(shí)空泡形狀隨時(shí)間的變化.在t=0 μs時(shí),空泡吸附在壁面上,泡內(nèi)壓力小于外部的流場(chǎng)壓力.壓力差的存在會(huì)壓縮該空泡,使得空泡向中心收縮.

圖5 γ=0.5時(shí),空泡形狀變化及潰滅特性

由于空泡所在空間的不對(duì)稱性,可以看到4.00 μs時(shí)空泡半徑已經(jīng)減小,體積小于初始時(shí)刻的空泡體積,上壁面逐漸收縮,并且頂部壁面趨于扁平.當(dāng)t=6.56 μs時(shí),此時(shí)空泡上壁面已扁平,空泡體積在橫向與縱向均縮小,與缸套壁面接觸的部分向X軸中心處運(yùn)動(dòng),且在該空泡上方出現(xiàn)了一個(gè)高壓區(qū),如圖5b 所示,區(qū)域最大壓力為1.29 MPa,在該壓力的作用下,空泡壁面開始向下運(yùn)動(dòng),即空泡頂部開始凹陷,此時(shí)空泡壁面處液體的運(yùn)動(dòng)速度為104 m/s.在6.80～7.08 μs時(shí),空泡上壁面持續(xù)凹陷,t=7.18 μs時(shí),液體穿破空泡的上壁面,到達(dá)缸套壁面,形成射流.圖5c為7.18 μs時(shí)空泡潰滅的流場(chǎng)情況,可以看到此時(shí)在缸套壁面上出現(xiàn)了高壓區(qū),最大壓力為3.44 MPa,射流速度為104.4 m/s,在該高壓高速的微射流的沖擊下,很容易對(duì)缸套壁面造成傷害,導(dǎo)致空蝕現(xiàn)象的發(fā)生.

圖6為γ=1.0時(shí)的空泡潰滅特性.當(dāng)γ=1.0時(shí),空泡下壁面與缸套壁面相切,切點(diǎn)位于缸套壁面中心處.在圖6a 中,當(dāng)空泡開始潰滅時(shí),由于空泡上下壁面的不對(duì)稱性,上壁面趨于扁平,當(dāng)t=6.66 μs時(shí),如圖6b所示,在空泡上壁面形成的高壓區(qū)最大壓力為1.19 MPa,同時(shí)下壁面與缸套壁面接觸面積逐漸增大.隨后空泡上壁面開始凹陷,t=7.60 μs時(shí)上壁面到達(dá)缸套壁面并且破裂,如圖6c所示,在缸套壁面中心形成5.61 MPa的高壓,射流速度為122.4 m/s.

圖6 γ=1.0時(shí),空泡形狀變化及潰滅特性

圖7為γ=1.5時(shí)的空泡潰滅特性.當(dāng)γ=1.5時(shí),空泡外壁面距離缸套壁面的最小距離為0.05 mm,其形狀隨時(shí)間的變化情況如圖7a所示.

圖7 γ=1.5時(shí),空泡形狀變化及潰滅特性

由于空泡上下壁面的不對(duì)稱性減弱,下壁面向泡心處的收縮速度加快.t=6.74 μs時(shí),空泡上壁面處于扁平狀態(tài),如圖7b所示,上壁面處形成的高壓區(qū)最大壓力為2.05 MPa,該壓力比γ=0.5和γ=1.0時(shí)空泡上壁面扁平時(shí)形成的高壓區(qū)最大壓力都高,因此會(huì)導(dǎo)致空泡潰滅時(shí)間減小.在空泡下壁面也存在一個(gè)1.30 MPa左右的壓力區(qū),在2個(gè)高壓區(qū)的作用下,空泡上下壁面同時(shí)被壓縮,且空泡體積壓縮率也最大.t=7.48 μs時(shí),如圖7c所示,射流穿過空泡的上下壁面,壓力大小為4.00 MPa,射流速度為105.7 m/s.

3 多泡潰滅過程研究

3.1 多泡潰滅過程

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中是多空泡共存,空泡間相互作用不容忽視.以2個(gè)空泡為研究對(duì)象,在單個(gè)空泡的豎直方向上,增加1個(gè)新的空泡,空泡的初始半徑與原始空泡相同,均為0.1 mm.計(jì)算域及邊界如圖8所示.原始空泡的γ=1.0,泡心之間的距離為0.500 mm.圖9為不同時(shí)刻空泡形狀與壓力云圖.2個(gè)空泡所處的初始環(huán)境相同,因?yàn)槲恢貌煌?從而使得潰滅過程也有所不同.

圖8 多空泡計(jì)算域及邊界

圖9 不同時(shí)刻下空泡形狀與壓力云圖

當(dāng)t=0.02 μs時(shí),2個(gè)空泡形狀尚未發(fā)生變化,泡內(nèi)壓力為冷卻液在該溫度下的飽和蒸氣壓,外部壓力為工作壓力.t=7.12 μs時(shí),上壁面趨于扁平,附近流場(chǎng)形成高壓區(qū),最大壓力為2.20 MPa,下方空泡在上方空泡的影響下,左右壁面被壓縮,而上壁面沒有明顯被壓縮趨勢(shì).t=8.24 μs時(shí),上方空泡率先發(fā)生潰滅,此時(shí),下方空泡上壁面也正在被壓縮,受到上方空泡潰滅時(shí)所產(chǎn)生高速高壓微射流的影響,產(chǎn)生的高壓區(qū)最大壓力為8.00 MPa,相比于單個(gè)空泡潰滅時(shí)形成的高壓區(qū)壓力更大.t=8.65 μs時(shí),下方空泡也發(fā)生潰滅,產(chǎn)生了高達(dá)22.80 MPa大小的潰滅壓力,并作用在壁面上,易使壁面受到空蝕傷害.

由于受到上方空泡的影響,下方空泡的潰滅時(shí)間相比于單個(gè)空泡潰滅時(shí)間,有所延遲.因此,多空泡的存在影響近壁面空泡的潰滅過程,產(chǎn)生更大的潰滅壓力,增加壁面發(fā)生空蝕的可能性.

3.2 空泡間距對(duì)潰滅過程的影響

2個(gè)空泡泡心之間的距離不同,對(duì)空泡潰滅過程產(chǎn)生的影響也不同.保持計(jì)算條件不變,將泡心之間的距離分別設(shè)定為0.025 mm與0.050 mm進(jìn)行數(shù)值模擬,并與單個(gè)空泡潰滅過程進(jìn)行對(duì)比分析.

不同距離條件下,壁面中心處的壓力變化與速度變化分別如圖10所示.

圖10 不同空泡間距壁面中心處壓力和速度曲線

相比于單個(gè)空泡,多空泡的存在會(huì)使近壁面空泡潰滅時(shí)所產(chǎn)生的潰滅壓力與射流速度大幅提高,對(duì)壁面造成的傷害也更高.泡心之間的距離越小,近壁面空泡受到上方空泡潰滅的影響更大.泡心距離為0.025 mm時(shí),潰滅時(shí)間相比于泡心距離0.050 mm時(shí)變長(zhǎng),近壁面空泡受到的誘導(dǎo)驅(qū)動(dòng)壓力變大,從而導(dǎo)致近潰滅壓力更大,為34.16 MPa,射流速度也更高,高達(dá)273.3 m/s.在高強(qiáng)度微射流的持續(xù)作用下,壁面發(fā)生空蝕的可能性大大提高.

3.3 空泡數(shù)量對(duì)潰滅過程的影響

通過對(duì)3.1節(jié)的研究發(fā)現(xiàn),雙空泡的存在對(duì)于空泡潰滅特性有顯著影響,因此本節(jié)在3.1節(jié)的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加空泡的數(shù)量,對(duì)3個(gè)、4個(gè)甚至10個(gè)空泡情況下的空泡潰滅特性進(jìn)行研究.空泡半徑為0.10 mm,泡心之間的距離為0.250 mm,其余邊界條件與計(jì)算方法保持不變.

圖11為空泡數(shù)量分別為1,2,3,4,5,7,10個(gè)時(shí),壁面中心處的壓力與速度隨時(shí)間的變化曲線.相比于單個(gè)空泡,空泡數(shù)量增加后,壁面中心處的最大壓力與受到的最大射流沖擊速度均大幅度上升,數(shù)量級(jí)上表現(xiàn)為單個(gè)空泡潰滅時(shí)的3～4倍,隨著空泡數(shù)量的增多,壁面上出現(xiàn)壓力與速度最大值的時(shí)間也發(fā)生延后.

圖11 不同數(shù)量空泡壁面中心處壓力和速度曲線

在多空泡的情況下,當(dāng)空泡數(shù)量由2個(gè)增加至3個(gè)時(shí),壁面上的最大壓力由34.16 MPa增加至36.55 MPa,3個(gè)空泡的存在對(duì)于最下方空泡潰滅的強(qiáng)化作用持續(xù)加強(qiáng),隨著空泡數(shù)量的繼續(xù)增加,當(dāng)空泡數(shù)量為4個(gè)時(shí),壁面上的最大壓力則有所下降,最大壓力為31.93 MPa,這是因?yàn)樽钌戏娇张葜饾u靠近流場(chǎng)區(qū)域的中心,所在區(qū)域的不對(duì)稱性減弱,對(duì)于最下方空泡潰滅的強(qiáng)化作用也減小,導(dǎo)致壁面中心處的壓力下降.空泡數(shù)量增加至10個(gè)時(shí),壁面中心處的最大壓力不斷減小,壁面中心處壓力下降至19.78 MPa.與壁面中心處的最大壓力不同,不同數(shù)量的空泡潰滅時(shí),產(chǎn)生的微射流最后沖擊壁面時(shí)的速度則是隨著空泡數(shù)量的增大而增大,空泡數(shù)量由2個(gè)增加至10個(gè)后,其微射流沖擊壁面速度由273.3 m/s增加至396.1 m/s,射流速度越大,對(duì)缸套壁面產(chǎn)生的空蝕損傷越大.

4 空泡潰滅與缸套空蝕的關(guān)系

缸套在受到除了冷卻液的高壓作用外,還會(huì)受到空泡潰滅射流沖擊壁面所帶來的水錘壓力作用,水錘方程為

(6)

式中:pWH為水錘壓力;c為液相中的聲速;vw為液體指向壁面時(shí)的速度;ρs為固相的密度;cs為固相中的聲速.

射流產(chǎn)生的水錘壓力是在微秒尺度的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的,隨著柴油機(jī)不斷工作循環(huán),空泡不斷產(chǎn)生并潰滅,持續(xù)沖擊壁面,誘發(fā)裂紋沿著晶界萌生并擴(kuò)展,在晶界內(nèi)強(qiáng)韌性較差的局部區(qū)域形成腐蝕凹坑,從而造成缸套壁面的破壞,產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象.表2為不同空泡數(shù)量下產(chǎn)生的水錘壓力,表中vc為射流沖擊壁面最大速度.隨著計(jì)算空泡數(shù)量的增加,壁面受到射流沖擊的水錘壓力也在不斷增大,由186.50 MPa增加至603.50 MPa,增加了223.6%,對(duì)壁面造成的傷害程度也會(huì)因此而增加.可以得出相應(yīng)結(jié)論,在多空泡的相互影響下,空泡潰滅對(duì)氣缸套的沖擊作用顯著增強(qiáng),多泡潰滅過程是引發(fā)柴油機(jī)氣缸套空蝕的根本原因.

表2 不同空泡數(shù)量下空泡潰滅射流沖擊壁面產(chǎn)生最大水錘壓力

由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),缸套壁面中心處最大壓力與射流速度與空泡數(shù)量呈現(xiàn)出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,對(duì)缸套壁面中心處最大壓力pc、射流速度vc與空泡數(shù)量x分別進(jìn)行非線性擬合,結(jié)果如圖12所示.

圖12 壁面最大壓力和最大射流速度與空泡數(shù)量關(guān)系

壁面中心處最大壓力與空泡數(shù)量的關(guān)系式為

pc=(x+a1)/[b1+b2(x+a1)+b3(x+a1)2],

(7)

式中:a1,b1,b2,b3為常數(shù)項(xiàng),分別為0.881 28,0.008 69,0.017 29,0.003 43.

壁面中心處最大射流速度與空泡數(shù)量的關(guān)系式為

vc=t1+A1(1-e-x/t2)+A2(1-e-x/t3),

(8)

式中:A1,A2,t1,t2,t3為常數(shù)項(xiàng),分別為1 134 642.98,-321.66,1 134 561.980 00,0.103 45,2.303 17.

由式 (7) — (8) 可以看出,空泡數(shù)量的增加會(huì)影響壁面中心處的最大壓力與射流速度,隨著數(shù)量的不斷增加,對(duì)缸套壁面也會(huì)產(chǎn)生不同的影響.

綜合前文研究可以發(fā)現(xiàn),柴油機(jī)工作過程中的缸套振動(dòng)導(dǎo)致冷卻液局部壓力下降,在低于飽和蒸氣壓時(shí)部分冷卻液發(fā)生空化,產(chǎn)生大量空泡.由于壁面的影響,空泡由遠(yuǎn)壁面一側(cè)向近壁面?zhèn)忍?遠(yuǎn)壁面一側(cè)形成高壓區(qū),并在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生潰滅,引發(fā)朝向壁面的高速微射流.除空泡潰滅導(dǎo)致的冷卻液壓力波動(dòng)外,射流沖擊帶來的水錘效應(yīng)對(duì)壁面局部區(qū)域形成很高的壓力,大量空泡的相互作用極大地加強(qiáng)了射流速度和水錘壓力,最終在缸套受沖擊部位造成損傷,是引發(fā)缸套發(fā)生空蝕的根本原因.

5 結(jié) 論

在對(duì)柴油機(jī)單缸水套進(jìn)行空化兩相流模擬和近壁面空泡潰滅過程的瞬態(tài)模擬中,主要得到以下結(jié)論:

1) 柴油機(jī)缸套壁面具有振動(dòng)加載時(shí),冷卻液流動(dòng)會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象,生成空化氣泡,空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流對(duì)壁面造成空蝕損傷.

2) 相比于單空泡的情況,多空泡在潰滅過程中由于相互作用而產(chǎn)生更大的潰滅壓力和射流速度,并且潰滅時(shí)間有所延遲.當(dāng)γ=1.0時(shí),雙空泡的潰滅壓力最高可達(dá)22.80 MPa,比單空泡的潰滅壓力增大了306.42%;相比于單空泡,雙空泡的潰滅時(shí)間延遲了13.75%.

3) 在多空泡的情況下,空泡之間距離越小,潰滅時(shí)間越長(zhǎng),潰滅壓力和射流速度更大,當(dāng)泡心距離從0.050 mm減小至0.025 mm時(shí),近壁面空泡的潰滅壓力增大49.82%,產(chǎn)生的微射流速度增大10.56%.

4) 空泡數(shù)量增加后,空泡的潰滅壓力和射流速度大幅提高.潰滅壓力隨空泡數(shù)量的增加呈先增后減的趨勢(shì),而射流速度隨空泡數(shù)量的增加一直增大,當(dāng)空泡數(shù)量由2個(gè)增至10個(gè),微射流速度增大44.93%.