液压系统复杂流道空泡群溃灭及空化噪声研究

This project is planned to study the collapse of cavitation bubble clusters and cavitation noise in the complicated flow channel of hydraulic techniques by comprehensive numerical and experimental analyses. Firstly, based on the theory of energy transfer, a composite pressure superposition model of the hierarchical collapse of bubble clusters will be established. Combined with the model for cavitating flow, the collapse profiles of bubble cluster will be described numerically. Therefore, the cavitation area and intensity could be predicted from the results. Secondly, a high-speed video camera will be used to catch cavitation images from perpendicular directions. Effects of flow channel structures, pressure pulsation and flux on cavitation bubble cluster activity also will be studied in order to reveal the dynamics of cavitation bubble clusters; Moreover, we will measure cavitation noise based on the active ultrasonic detection, extract cavitation characteristics, and determine the relationship between characteristics and cavitation intensity. At last, a physical model for acoustic noise emitted by cavition bubble clusters will be established. Consequently, cavitation noise and noise spectrum will be estimated quantitatively. The research results of the project will not only improve the control accuracy and performance of the hydraulic system, but also provide the theoretical and experimental reference to bubble dynamics.

本项目拟对液压系统复杂流道内空泡群溃灭过程及其辐射噪声进行理论建模与可视化实验相结合的研究。基于能量传递理论，建立空泡群分层溃灭的压力迭加模型。结合空化湍流两相流模型，获得液压流道内空泡群溃灭过程的运动轨迹，为预测空化发生提供理论依据；实验观测复杂流道内空泡群的运动行为，分析流道结构、流量特性、系统压力变化对空化的影响，获得液压系统中空泡群演变过程及其影响因素。采用抗干扰能力较强、精准度较高的超声主动探测方式，探测空泡群溃灭阶段辐射噪声信号，提取表征空化的特征值，确定其与空化强度的对应关系；建立空泡群溃灭辐射噪声信号的物理模型，实现对群泡噪声声压及声谱特性的定量估算。本项目研究成果不仅对控制液压元件噪声、提高液压系统的控制精度和工作性能，而且对空泡和空化空蚀理论的发展和完善具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目对液压系统典型流道内空泡群溃灭过程及其辐射噪声进行理论建模与可视化实验相结合的研究。首先建立了单、双空泡理论模型，完成了单、双空泡相互作用的数值计算工作，分析了主次空化泡在同相位、不同相位时相互作用的过程，为泡群的复杂相互作用奠定了理论基础；建立空泡群分层溃灭压力迭加模型,沿径向将空泡群分成一系列层次，同一层内空泡同时溃灭。考虑已溃灭各层空泡的影响和同层内正在溃灭空泡的影响,计算了不同参数下的空泡群溃灭压力。在分层溃灭模式下，空泡群由外向内逐层溃灭,空泡群半径逐渐减小,溃灭压力由外向内逐层增大,当空泡群完全消失时,溃灭压力达到最大,为空泡群的最终溃灭压力；其次，采用Fluent数值研究了一、二级节流阀内部空化流动特性，分析了进出口压差、阀口开度、液压介质及阀座参数对节流阀内部空化现象的影响，得到了一级、二级节流阀内部空化流动的压力场、流速分布、空化区域分布等的变化规律。液压节流阀中空化区域主要分布在节流口下游的回流区内，空化较严重的区域主要分布在回流区与高流速区域接触的边缘区域，空化的强度受到回流区大小及回流中心位置的影响，而回流区的大小及分布主要受液体流向及流速的影响；再次，自行设计并搭建了一种基于高速摄影技术的液压节流阀内部空化分析系统，由光学子系统、液压子系统和实验平台三部分组成；根据实验需求设计了实验用透明节流阀、减震液压实验工作台架，并对相应的液压元件和光学元件进行了选型。采用高速摄影装置拍摄了节流阀开度变化对节流阀内流速、空化现象的影响。当节流阀开度较大时几乎没有空化现象产生，随着开度的减小，最大流速逐步增大，回流区和空化区开始出现并逐步扩大；当接近闭合时，流速不再增大反而有所降低，空化开始减弱，回流区逐步萎缩、消失，实验与数值吻合较好；最后，由瑞利方程出发推导了单空泡、双空泡溃灭的噪声声压方程和功率谱。针对空泡群分层溃灭压力迭加模型，将液压元件中流动泡声辐射区域分成m层，每层均为一个积分单元,求出每个单元的辐射声压然后积分，求出群泡噪声声压和功率谱。采用多通道振动噪声测试系统实验测量了液压节流阀在运行中空化噪声的情况，实验发现空化噪声的信号主要在高频部分。本项目研究成果不仅对控制液压元件噪声、提高液压系统的控制精度和工作性能，而且对空泡和空化空蚀理论的发展和完善具有重要的理论意义和实际应用价值。