存在气泡的纯水液压管路瞬态压力脉动过程机理研究

Being as a new-type green transmission, water hydraulic application is getting wider and wider in fire fighting, entertainment facilities, paper machinery, under water tools, food industry. The appearance of bubbles in a water hydraulic pipe is generally undesirable as they can lead to performance deterioration and noise increment. At present, the study of model of bubble and dynamic friction in water has been limited. So it has been a key problem for the water hydraulic system. On base of study of mechanism of water hydraulic pipe transients with bubbles, the pipe transients mathematical model including key issues of the model of bubble's growing and collapsing and model of friction is built. Using experiments gas resolving time constant and releasing time constant is determined. The method of parameter identification for the dynamic friction model is presented. And an example of water hydraulic pipe transients is simulated and tested. Further study of complex water hydraulic pipe system with bubbles is next step. The purpose of improving water hydraulic pipe system efficiency and decreasing noise is achieved.

纯水液压技术作为新型绿色传动技术，在消防、娱乐、造纸、水下工具、食品加工等行业已有广泛的应用。在纯水液压管路中，气泡的存在影响管路的流量特性，使管路的效率降低以及噪声增加。目前，以纯水为工作介质的气泡模型研究还很缺乏，管路动态摩擦阻力项的作用机理和数学模型的研究也很不完善，因而限制了纯水液压系统性能的进一步提高。本课题在研究存在气泡的纯水液压管路瞬态脉动机理的基础上，建立存在气泡的纯水管路瞬态脉动数学模型，包括气体溶解和析出的数学模型以及动态摩擦阻力项数学模型的建立等关键问题。同时，采用试验方法确定纯水中气体溶解时间常数和析出时间常数，对管路动态摩擦阻力项加权系数进行参数辨识，并对管路瞬态脉动过程的仿真方法和试验进行研究，为进一步研究存在气泡时以纯水为工作介质的复杂管路系统流量及压力脉动过程奠定基础，从而达到提高纯水液压管路系统效率、降低管路系统噪声的目的。

管路作为液压系统的重要元件，其瞬态特性对整个液压系统的性能具有十分重要的影响。管路瞬态压力脉动过程中伴随气泡的体积变化，为了合理预测气泡的存在对纯水液压管路瞬态压力脉动特性的影响，本项目基于流体动力学以及气泡溶解和析出的物理过程，用连续性方程和运动方程来描述存在气泡的纯水液压管路中瞬态压力脉动过程，同时对存在气泡时纯水液压直管路瞬态压力脉动进行了仿真研究和试验验证。对纯水管路瞬态特性进行机理研究，为提高纯水液压管路系统效率、降低管路系统噪声提供了理论依据。.基于液压管路动态摩擦阻力项作用机理，采用遗传算法分别对以液压油和纯水为工作介质的摩擦阻力项加权系数进行参数辨识。通过等径水平上游和下游管路阀门处瞬态压力脉动过程仿真结果与试验数据的对比，验证了频率相关动态摩擦阻力项中权函数系数参数辨识和项数计算方法的正确性。利用参数辨识技术进行纯水液压管路瞬态过程动态摩擦阻力项加权系数研究，发展了管路动态摩擦阻力项数学模型，揭示了纯水液压管路摩擦阻力作用机理。.搭建纯水液压管路瞬态特性试验台，进行存在气泡的纯水液压管路瞬态压力脉动试验研究，同时对不同初始气泡体积以及阀门瞬时泄漏进行测试。通过从上游水箱释放小球撞击阀座来模拟阀门瞬时关闭，产生管路瞬态压力脉动。采用压阻式压力传感器记录了不同初始条件下管路压力脉动，同时采用高速摄像机同步拍摄了阀门瞬态关闭时气泡体积变化过程。采用J-MAG软件对快速关断阀电磁线圈的磁场分布和吸力进行仿真研究。对存在气泡的纯水液压管路瞬态压力脉动进行试验研究，验证了气泡数学模型和动态摩擦阻力项数学模型在纯水液压管路瞬态过程中的有效性和可行性。.基于气体溶解和析出物理过程，建立了气体溶解和析出过程数学模型，同时分析不同的气体析出时间常数对析出气体体积和密闭容器内压力变化的影响。搭建密闭容器振动试验台，通过间接测量压力的方法分别确定纯水和液压油作为工作介质的气体溶解和析出时间常数。利用试验方法确定纯水和液压油作为工作介质的气体溶解时间常数和析出时间常数，揭示了液压管路瞬态过程气体溶解和析出的机理，完善了纯水液压系统瞬态过程气泡数学模型。