流體滑環(huán)壓損理論計(jì)算與仿真分析

帥高鵬，王能慧，2，葉佳鈺，吳海燕，吳海紅

（1.中船九江海洋裝備（集團(tuán)）有限公司，江西 九江 332008；2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210018）

0 引言

流體滑環(huán)是實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備流體介質(zhì)旋轉(zhuǎn)傳輸?shù)木軅鬏斞b置，是大型工程機(jī)械、風(fēng)電、船舶電力推進(jìn)等領(lǐng)域產(chǎn)品的核心部件［1－4］。流道壓損作為流體滑環(huán)重要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，其大小直接影響著流體滑環(huán)的傳輸性能［5－6］。流道壓損通常通過控制流道寬度來實(shí)現(xiàn)，流道寬度越寬，流體壓損越小，但流道寬度過大會(huì)大幅增加滑環(huán)尺寸及重量，因而研究流道寬度與流道壓損之間的關(guān)系具有重要意義［7－8］。

譚家翔［9］通過對(duì)“長(zhǎng)青號(hào)”FPSO液滑環(huán)拆解及FLUENT流場(chǎng)計(jì)算，研究了液滑環(huán)腔體設(shè)計(jì)參數(shù)特性。梁憲超等［10］、何超等［11］和張思為［12］提出液滑環(huán)流道設(shè)計(jì)的常規(guī)做法是通過數(shù)值模擬計(jì)算確定最佳的流道形狀及尺寸，準(zhǔn)確的壓降計(jì)算基于準(zhǔn)確的幾何建模、合適的計(jì)算模型及合理的后期處理。楊健等［13］基于ANSYS軟件對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)液滑環(huán)型腔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，研究了液滑環(huán)流體速度和壓力分布，提出了滑環(huán)腔體形狀優(yōu)化方案，對(duì)液滑環(huán)腔體設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

本研究以某流體滑環(huán)為研究對(duì)象，通過局部壓損簡(jiǎn)化分析及組合建模，提出流體滑環(huán)壓損的理論估算方法，實(shí)現(xiàn)流體滑環(huán)壓損的快速評(píng)估，并基于Comsol軟件建立流體滑環(huán)流道有限元模型，研究不同流體出入口夾角及環(huán)形流道寬度對(duì)流道壓損的影響規(guī)律，為流體滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 流體滑環(huán)幾何模型

某流體滑環(huán)三維模型如圖1所示，流體滑環(huán)主要由主軸、基座、軸承、壓蓋等部件組成，在正常工作時(shí)，基座保持不動(dòng)，主軸在一對(duì)軸承的支承下沿中心回轉(zhuǎn)，流體由入口P流入，經(jīng)流道PO、OE三通分流，流通至F點(diǎn)三通合流，經(jīng)流道FQ流出。本研究以該流道為研究對(duì)象，其流體出入口直徑均為29 mm，流體密度為1 212 kg／m3，動(dòng)力黏度為0.114 mPa·s，流量為1.5 m3／h。為快速預(yù)估流體滑環(huán)流道壓損，對(duì)單環(huán)道進(jìn)行建模，并對(duì)模型作如下假設(shè)：

圖1 某溫箱轉(zhuǎn)臺(tái)流體滑環(huán)三維模型

1）環(huán)道兩側(cè)格萊圈密封性能良好，不存在泄露，流體入口流量與出口流量相等。

2）流體流經(jīng)滑環(huán)時(shí)不存在熱交換，其密度及動(dòng)力黏度保持不變。

3）流體出／入口高度差較小，可忽略不計(jì)。

簡(jiǎn)化后的模型軸側(cè)及其俯視圖如圖2所示，箭頭方向?yàn)榱黧w流動(dòng)方向。

圖2 單流體環(huán)道模型軸側(cè)（左）及其俯視圖（右）

2 流體滑環(huán)壓損理論計(jì)算

流體沿環(huán)道流動(dòng)壓損計(jì)算較為復(fù)雜，本研究所提出的壓損估算方法將流體環(huán)道拆分為7個(gè)部分阻力的疊加組合：

1）流體由P點(diǎn)流入到達(dá)O點(diǎn)，此段流體沿直管流動(dòng)，其壓損主要為沿管道的沿程阻力損失P1。

2）流體流經(jīng)O點(diǎn)，經(jīng)90°彎曲，進(jìn)入管道OE段，此段局部壓損為90°彎頭壓損P2。

3）流體由O點(diǎn)流至E點(diǎn)，其壓損主要為OE長(zhǎng)度管道沿程阻力損失P3。

4）流體由E點(diǎn)流至環(huán)道A、B側(cè)，局部壓力損失可簡(jiǎn)化為三通分流壓損P4。

5）流體由E沿A、B側(cè)流道流至F點(diǎn)，由于流道彎曲半徑相對(duì)流道寬度L較大，可近似按照等長(zhǎng)度直管沿程阻力計(jì)算其壓損P5。

6）流體由F點(diǎn)合流，進(jìn)入管道FQ段，局部壓力損失可簡(jiǎn)化為三通合流壓損P6。

7）流體由F點(diǎn)流至Q點(diǎn)，其壓損為沿管道沿程阻力損失P7。

隨流體出入口夾角α變化，流體壓損的組合形式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，不同出入口夾角α下流體流道示意如圖3所示，圖中箭頭為流體流動(dòng)方向。

圖3 不同流體出入口夾角α環(huán)道模型簡(jiǎn)化示意圖

1）當(dāng)α＝0°時(shí)，流體由入口P流經(jīng)彎頭O，并由E、F點(diǎn)直接從出口Q流出，此時(shí)流體滑環(huán)的壓損最小，其壓損組合形式為ΔP1＝（P1＋P3＋P7）＋P2。

2）當(dāng)αcp≤α≤360－αcp（αcp為流體入口與出口交界臨界位置）時(shí)，流體由P點(diǎn)流經(jīng)彎頭O，由E點(diǎn)三通分流沿流道A、B兩側(cè)流至F點(diǎn)三通合流，最終從Q點(diǎn)流出，此時(shí)流體滑環(huán)壓損組合形式為ΔP2＝P1＋P2＋P3＋P4＋P5＋P6＋P7。

3）當(dāng)α＜αcp或α＞360－αcp時(shí)，由于流體出口與入口段存在交叉，部分流體由E點(diǎn)經(jīng)F直接從出口Q流出，另一部分則由E經(jīng)環(huán)道B側(cè)至F，從出口Q排出，此時(shí)流體壓損可看做前2種形式壓損的組合，其壓損組合形式為ΔP3＝ωΔP1＋（1－ω）ΔP2。式中，ω為由E、F點(diǎn)直接從Q點(diǎn)流出的流體流量占總流量的百分比，本研究在獲取流量百分比時(shí)，借助Comsol有限元仿真技術(shù)手段，通過計(jì)算流經(jīng)環(huán)道B側(cè)某截面流體流量值，可獲得λ大小，環(huán)道A、B側(cè)流量大小與流體出入口夾角關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同流體出入口夾角α?xí)r環(huán)道兩側(cè)流量比

2.1 直管沿程阻力壓損（P1、P3、P5、P7）理論計(jì)算

直管沿程阻力壓損計(jì)算［12］如下：

式中：ρ為流體密度，kg／m3；l為直管長(zhǎng)度，m；d為管道直徑，m；v為流體流速，m／s；λ為沿程阻力系數(shù)，其大小根據(jù)流體流動(dòng)狀態(tài)確定，當(dāng)流體雷諾數(shù)Re＝ρvd／μ≤2 000時(shí)，流體在管道內(nèi)流動(dòng)為層流，其沿程阻力系數(shù)λ＝64／Re；當(dāng)流體雷諾數(shù)Re＞2 000時(shí)，流體在流道內(nèi)流動(dòng)為紊流狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)可由管道表面相對(duì)粗糙度及雷諾數(shù)查莫迪圖確定。

在流體由E沿A、B側(cè)流道流至F點(diǎn)時(shí)，由于環(huán)道內(nèi)部往往為矩形截面，工程上一般采用流速當(dāng)量直徑進(jìn)行簡(jiǎn)化，流速當(dāng)量直徑計(jì)算表達(dá)式為：

2.2 90°彎頭局部阻力壓損（P2）理論計(jì)算

90°彎頭局部阻力阻力系數(shù)ζ＝4τsin2（θ／2），式中，τ為修正系數(shù)，τ＝0.55；θ為彎頭彎曲角度大小，經(jīng)計(jì)算可知，90°彎頭局部阻力系數(shù)ζ＝1.1。

90°彎頭局部阻力壓損（P2）為：

2.3 三通分流局部壓損（P4）理論計(jì)算

流體由E點(diǎn)流至環(huán)道A、B側(cè)，局部壓力損失可簡(jiǎn)化為三通分流壓損P4，其流體流動(dòng)情況如圖5所示。基于流體滑環(huán)特殊結(jié)構(gòu)形式，其流道A側(cè)截面A1、B側(cè)截面A2大小相等，且與流入端夾角均為90°，因而A、B兩側(cè)局部阻力系數(shù)ζ1、ζ2計(jì)算如下：

圖5 流體滑環(huán)內(nèi)部三通分流局部示意

式中：Q1、Q2、Q3分別為A側(cè)、B側(cè)及OE段流量，Q1＋Q2＝Q3；A1、A2、A3分別為A側(cè)、B側(cè)及OE段截面積。

三通分流局部阻力壓損（P4）為：

式中：η為A側(cè)流量占總流量比例，η＝Q1／Q3。

2.4 三通合流（P6）局部壓損理論計(jì)算

流體由F點(diǎn)合流進(jìn)入管道FQ段，局部壓力損失可簡(jiǎn)化為三通合流壓損P6，其流體流動(dòng)情況如圖6所示。A、B兩側(cè)局部阻力系數(shù)ζ1、ζ2分別為：

圖6 流體滑環(huán)內(nèi)部三通合流局部示意

三通合流局部阻力壓損（P6）為：

3 有限元模型建立及試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

3.1 流體滑環(huán)有限元模型建立

流體滑環(huán)三維模型如圖1所示，選取某通道為研究對(duì)象，利用Comsol軟件對(duì)其流體通道進(jìn)行參數(shù)化建模，如圖7所示?；谕牧魑锢韴?chǎng)對(duì)流體滑環(huán)進(jìn)行仿真分析，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，劃分后網(wǎng)格數(shù)量為209 584，最大單元為2.96mm，設(shè)置P截面為流體入口，Q截面為流體出口，流體以恒質(zhì)量流率從P點(diǎn)流入，通過對(duì)流體出入口夾角及流道寬度參數(shù)化掃描，可實(shí)現(xiàn)流體滑環(huán)壓損的快速計(jì)算，流體滑環(huán)流體域的主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 流體滑環(huán)主要物理參量

圖7 流體滑環(huán)單通道有限元模型

3.2 流體滑環(huán)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

流體滑環(huán)試驗(yàn)裝置原理如圖8所示，流體由液壓泵站流出，經(jīng)流體滑環(huán)某流道流回至液壓泵站內(nèi)，液壓泵站輸出壓力設(shè)置為2.5 MPa，流體滑環(huán)出入口分別接入差壓變送器兩端，差壓變送器量程范圍0～5 kPa，測(cè)試精度為0.075%FS，通過讀取差壓變送器讀數(shù)便可獲取流體滑環(huán)出入口壓差。流體滑環(huán)設(shè)計(jì)為4流通通道，通道入口沿圓周均布，各通道除環(huán)形流道EF寬度不同外，其余尺寸完全相同。

圖8 流體滑環(huán)試驗(yàn)裝置原理示意

4 流體滑環(huán)仿真結(jié)果及分析

4.1 流體出入口夾角對(duì)流體滑環(huán)壓損的影響

流體滑環(huán)在實(shí)際工作中，其內(nèi)外環(huán)之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。為研究不同流體出入口夾角對(duì)滑環(huán)壓損的影響規(guī)律，以流體滑環(huán)內(nèi)環(huán)為參考基準(zhǔn)，外環(huán)旋轉(zhuǎn)相對(duì)角度為α，按照每10°間隔（即α＝0°，α＝10°，…，α＝180°）進(jìn)行仿真分析。得到典型夾角下流體壓力和速度云如圖9所示，不同出入口夾角時(shí)流體壓損理論計(jì)算、數(shù)值仿真及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖10所示，可知：

圖9 不同流體出入口夾角α下流體壓力和速度云圖

圖10 不同流體出入口夾角流體壓損理論計(jì)算與仿真結(jié)果

1）當(dāng)流體出入口夾角α＝0°時(shí)，滑環(huán)環(huán)道內(nèi)流速近乎為0，流體經(jīng)90°彎頭后直接由E、F從Q點(diǎn)流出，此時(shí)流體滑環(huán)壓損較小，僅413 Pa。

2）當(dāng)流體出入口夾角0°＜α≤αCP時(shí)，隨著α角度增加，流體壓損急劇上升，這主要是由于α角越大，經(jīng)環(huán)道B側(cè)流體流量越大，B側(cè)流體對(duì)經(jīng)E、F、Q點(diǎn)直接流出的流體阻力越大。

3）當(dāng)流體出入口夾角α＝30°≈αCP時(shí)，流體滑環(huán)壓損最大，達(dá)1 673 Pa，這主要是由于流體出入口無重疊區(qū)域，流體流經(jīng)環(huán)道會(huì)出現(xiàn)三通合流及三通分流壓損，且入口A側(cè)流道流速較大，對(duì)經(jīng)環(huán)道環(huán)流流體形成強(qiáng)烈阻礙，在出口段出現(xiàn)明顯旋流現(xiàn)象，造成流體滑環(huán)壓損急劇增加。

4）當(dāng)流體出入口夾角α＞αCP時(shí)，隨著α角度的增加，其壓損逐漸減小，當(dāng)α角度增加至一定值時(shí)，其壓損減小幅度減弱。當(dāng)α增加至180°時(shí)，由于環(huán)道對(duì)稱性，其流道A側(cè)、B側(cè)流量相等，均為0.75 m3／h，流體出口段未出現(xiàn)旋流現(xiàn)象，此時(shí)流體壓損相對(duì)較小，為1 148.5 Pa。

5）不同出入口夾角時(shí)，仿真分析結(jié)果較試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最大誤差僅8.93%，且滑環(huán)壓損較試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果偏低，這主要是由于實(shí)際滑環(huán)產(chǎn)品環(huán)道間可能存在微小泄露，造成實(shí)際測(cè)量結(jié)果滑環(huán)壓損偏高，而仿真分析并未考慮流體泄露因素的影響。

6）不同出入口夾角時(shí)，流體壓損理論計(jì)算較試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最大誤差為17.39%，在出入口夾角α＝0°～100°時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果偏差較大，這主要是由于該角度區(qū)間內(nèi)流體環(huán)道A、B兩側(cè)流量及流速相差較大（圖4），在三通合流點(diǎn)F形成強(qiáng)烈阻礙，甚至出現(xiàn)旋流等現(xiàn)象，而理論計(jì)算時(shí)并未充分考慮該現(xiàn)象造成的壓損增加。

4.2 環(huán)形流道寬度系數(shù)對(duì)流體滑環(huán)壓損的影響

環(huán)形流道寬度是流體滑環(huán)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，環(huán)形流道寬度過小會(huì)造成環(huán)道內(nèi)部壓損急劇增加，影響滑環(huán)流體傳輸性能；環(huán)形流道寬度過大會(huì)大幅增加滑環(huán)尺寸及質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)合理的環(huán)形流道寬度對(duì)流體滑環(huán)設(shè)計(jì)極為重要［14－15］。

為研究環(huán)形流道寬度對(duì)流體滑環(huán)壓損的影響規(guī)律，確定最合理的環(huán)形流道寬度尺寸，本研究基于有限元仿真分析、理論計(jì)算及試驗(yàn)測(cè)試等技術(shù)手段，以環(huán)形流道、流體出入口等流通截面為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，引入環(huán)形流道寬度系數(shù)δ，針對(duì)流體出入口夾角α＝180°流體壓損進(jìn)行仿真分析，研究δ＝0.3，0.4，…，2.0時(shí)流體滑環(huán)流道壓損變化規(guī)律，并輔以試驗(yàn)驗(yàn)證（試驗(yàn)裝置流體滑環(huán)4流道寬度系數(shù)δ分別為0.5，1.0，1.5，2.0），得到不同環(huán)形流道寬度系數(shù)下流體壓損理論計(jì)算、數(shù)值仿真及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

圖11 不同寬度系數(shù)下流體壓損理論計(jì)算與仿真結(jié)果

可得出以下結(jié)果：

1）流體滑環(huán)壓損隨環(huán)形流道寬度系數(shù)δ的增加而逐漸降低，當(dāng)寬度系數(shù)增加至一定值（δ＝0.8）時(shí)，其流體壓損減小幅度減弱（≤10%），寬度系數(shù)δ＝2相對(duì)δ＝1.9壓損僅降低0.68%（5.6 Pa），最佳流道寬度為等截面設(shè)計(jì)寬度的0.8～1.2倍。

2）當(dāng)環(huán)形流道寬度系數(shù)δ分別為0.5、1.0、1.5、2.0時(shí)，流體滑環(huán)壓損分別為2 356.5、1 175.0、987.8、953.5 Pa，仿真分析結(jié)果較試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最大偏差僅為3.42%，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）不同環(huán)形流道寬度系數(shù)下流體壓損理論計(jì)算較仿真分析值最大誤差為18.5%，本研究所提出的流體壓損理論計(jì)算方法可用于指導(dǎo)流體滑環(huán)壓損的快速評(píng)估，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

1）以實(shí)現(xiàn)流體滑環(huán)流體壓損的快速評(píng)估為目標(biāo)，將流體滑環(huán)簡(jiǎn)化為直管、90°彎頭、三通合流、三通分流的組合形式，提出一種流體滑環(huán)壓損的理論計(jì)算方法，并結(jié)合有限元仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比其相對(duì)誤差均在20%內(nèi)，驗(yàn)證了該理論計(jì)算方法的可靠性，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

2）滑環(huán)壓損隨流體出入口夾角增加呈現(xiàn)先增大后逐步減小的趨勢(shì)，當(dāng)流體出入口夾角α＝αCP時(shí)，流體滑環(huán)壓損最大，這主要是由于流體出入口無重疊區(qū)域，流體流經(jīng)環(huán)道出現(xiàn)三通合流及三通分流壓損，且入口A側(cè)流道流速較大，對(duì)經(jīng)環(huán)道環(huán)流流體形成強(qiáng)烈阻礙，在出口段出現(xiàn)明顯旋流，造成流體滑環(huán)壓損急劇增加。

3）流體滑環(huán)壓損隨環(huán)形流道寬度系數(shù)δ的增加而逐漸降低，當(dāng)寬度系數(shù)增加至某一定值（δ＝0.8）時(shí)，其流體壓損減小幅度減弱（≤10%），寬度系數(shù)δ＝2相對(duì)δ＝1.9時(shí)壓損僅降低0.68%（5.6 Pa），最佳流道寬度為等截面設(shè)計(jì)寬度的0.8～1.2倍。