新型管路液流脈動(dòng)衰減器的數(shù)值與試驗(yàn)研究

　　載流管路中的液流壓力脈動(dòng)是造成管路系統(tǒng)振動(dòng)的主要原因，因此消減液流脈動(dòng)對(duì)管路安全具有重要意義。本文根據(jù)聲學(xué)濾波器的基本原理設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用的液流脈動(dòng)衰減器，通過(guò)數(shù)值仿真軟件FLUENT 建立了該衰減器的二維非穩(wěn)定流動(dòng)模型，并推導(dǎo)了管路中柱塞泵輸送液流的入口條件，分析了不同頻率下衰減器的液流脈動(dòng)衰減性能。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上制作了脈動(dòng)衰減器的實(shí)物模型，設(shè)計(jì)并搭建了柱塞泵管路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)脈動(dòng)衰減器的相關(guān)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該液流脈動(dòng)衰減器具有作用頻帶寬、液流脈動(dòng)衰減效果好的特點(diǎn)。此外，該衰減器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)際應(yīng)用。

1、前言

　　充液管道系統(tǒng)作為具有代表性的流體輸送系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著重要作用。眾多生產(chǎn)實(shí)踐表明載流管路的絕大多數(shù)振動(dòng)問題都是由液流壓力脈動(dòng)引起的。因此真空技術(shù)網(wǎng)(genius-power.com)認(rèn)為研究液流脈動(dòng)消減措施，設(shè)計(jì)并制造實(shí)用有效的液流壓力脈動(dòng)消減器對(duì)解決工程實(shí)際問題具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

　　載流管路的振動(dòng)控制主要分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制，其中被動(dòng)控制很多都是從衰減管路內(nèi)的液流脈動(dòng)著手的。早在1922 年美國(guó)的G. W.Stewart 就提出了聲學(xué)濾波器在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值，并首先用電—聲模型法導(dǎo)出了聲學(xué)濾波器的基本模型; 20 世紀(jì)50 年代Davis 對(duì)膨脹室型濾波器和分支共振型濾波器進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究; 20 世紀(jì)70 年代Streenath 等學(xué)者借助傳遞矩陣給出了濾波器的衰減表達(dá)式; 2001 年奧地利林茨約翰開普勒大學(xué)的J. Mikota 對(duì)幾種液壓系統(tǒng)中的濾波器進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一種基于赫姆霍茲濾波器原理的多自由度彈簧質(zhì)量吸振裝置; 2005 年德國(guó)特里爾大學(xué)Harald 對(duì)抗式壓力脈動(dòng)衰減器在液壓系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究; 2010 年，Kela 設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)赫姆霍茲式脈動(dòng)衰減器，并在液壓系統(tǒng)中進(jìn)行了相關(guān)研究。在國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者進(jìn)行著這方面的研究，其中1984 年，陳守五等分析了穿膛式液流脈動(dòng)消振器的機(jī)理，建立了運(yùn)動(dòng)方程; 1994 年，王和康針對(duì)K 型液壓濾波器進(jìn)行了研究; 2011年，浙江大學(xué)的章寅利用CFD 軟件對(duì)赫姆霍茲式和多孔同心式脈動(dòng)衰減器進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并得到了一些有價(jià)值的結(jié)論。

　　本文基于聲學(xué)濾波器的基本原理，設(shè)計(jì)了一種新型的多孔管式阻抗復(fù)合型液流脈動(dòng)衰減器，利用FLUENT 建立了該脈動(dòng)衰減器的二維模型并根據(jù)柱塞泵的工作原理推導(dǎo)出管路入口條件。其后在實(shí)驗(yàn)室搭建了載流管路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)之上制造了該脈動(dòng)衰減器的實(shí)物模型，進(jìn)行了不同工況下的試驗(yàn)研究。

2、基本原理

　　2.1、載流管路中柱塞泵工作原理

　　柱塞泵依靠柱塞在缸體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸液、排液的功能。排液的不連續(xù)性決定了柱塞泵輸出流量具有脈動(dòng)特性。曲柄連桿式柱塞泵具有排液壓力高、輸出流量穩(wěn)定、對(duì)輸送介質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，是石油化工、礦山礦場(chǎng)等領(lǐng)域最常見的動(dòng)力源。實(shí)驗(yàn)室為了能模擬生產(chǎn)實(shí)際中管路系統(tǒng)的流量脈動(dòng)，選擇曲柄連桿式三柱塞泵作為激勵(lì)端。曲柄連桿式單作用柱塞泵的工作原理如圖1 所示。

圖1 柱塞泵工作原理

5、結(jié)論

　　(1) 結(jié)合干涉型液流脈動(dòng)緩沖器和多孔管式氣流消音器的基本原理，立足于生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)了多孔管式阻抗復(fù)合型液流脈動(dòng)衰減器。利用FLUENT 建立了該脈動(dòng)衰減器的二維模型，根據(jù)其激勵(lì)端確定了較為恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)口邊界條件;

　　(2) 搭建了載流管路試驗(yàn)平臺(tái)，并在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)之上制造了該脈動(dòng)衰減器的實(shí)物模型，進(jìn)行了不同工況下的試驗(yàn)研究，并得到了和數(shù)值模擬結(jié)果一致的結(jié)論;

　　(3) 通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)得出了此脈動(dòng)衰減器不同頻率下的衰減性能，發(fā)現(xiàn)該脈動(dòng)衰減器最大衰減率為15dB 左右，最小脈動(dòng)衰減率也在10dB 以上，衰減性能優(yōu)異，通過(guò)進(jìn)一步的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)該脈動(dòng)衰減器具有較寬的衰減頻帶。數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究表明此脈動(dòng)衰減器有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。