增压器内部流场分析及气液两相流特性研究

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超高压水射流切割技术是近2O年来发展起来的-门新技术，其应用日益广泛。超高压水射流”是以水为介质加压至(300～400)MPa，利用dL(o.2-0-4)mm喷射原理，将超高压的水能转换为速度为(800-1000)m/s的水箭”，这样的水箭可以用于各种软基性物质的切割和对物体表面进行清洗。若在水箭中加入适当的磨料，则可以切割任何硬基f生物体。

目前，水射流系统通常采用两种形式的超高压发生器：-种是超高压柱塞泵，另外-种是液压增压器。柱塞泵产生的压力稍低，主要用于水力清洗，而液压增压器产生的压力较高，主要用于水力切割。增压器是水射流切割设备中的重要组成部件，它能把水的压力从几兆帕增压到几百兆帕，为整个切割机提供高压水源。其工作原理基于简单的力平衡原理，即利用活塞与活塞杆之间的面积差来实现对水的增压 ，理论上：(A活塞·A话塞杆)Pl油-A活塞杆尸l水 (1)定义增压比： (4活塞.Ai舌 杆) 杆则： P油图 1双动式增压器原理图Fig.1 The Schematic of Intensifier目前市场上所用的增压器增压比-般为(19：1～24：1)。为了获得连续稳定的高压水源，增压器-般设置成双动式的。两个高压缸背对着连为-体。双动式的增压器中，每-个行程结束时活塞要换向，从而对反方向高压缸中的水进行压缩增压，同时对此来稿日期：2012-03-10作者简介：李湘文，(1974-)，男，湖南长沙人，工程师，研究方向：高压水射流的应用；h英勇，(1944-)，男，安徽芜湖人，教授，博士生导师，国务院特殊津贴享受者，研究方向：深海资源采集关键技术及理论第1期 李湘文等：增压器内部流场分析及气液两相流特性研究 159高压缸进行重新充水。双动式增压器结构及原理目，如图 1所示。

由双动式增压器的的机械特性可以看出，两个高压腔的压力相位始终相差 180。。在排水行程的开始阶段，高压腔中的水压低于高压管道中的水压，出水单向阀-直处于关闭状态，也就是说，此时没有水从高压腔中排出。这是由于水在高压状态下是可压的，行程的开始阶段将用于水的压缩增压。增压器的这种断续性供水将产生极大的压力波动。为此，我们需要在增压器的后面接上-个蓄能器来平滑系统的压力波动。系统压力随时间的变化曲线，如图 2所示。

P图2未使用蓄能器时压力随时间变化曲Fig.2 The Curve of Pressure st Time without AccumulatorP图3使用蓄能器后压力随时间变化曲线Fig.3 The CuⅣe of Pressure at Time with Accumulator由图2和图3可知，使用蓄能器后系统的压力较为稳定，压力波动也较小，但并不能完全消除压力波动。由前面的分析我们知道，系统压力波动的产生主要是由于增压器出水的不连续造成的，这主要撒于两个因素：电液换向阀的延迟时间 和增压器的压水时间t。。Att。值越大，产生的压力波动量也越大，Att。值越小，产生的压力波动量也越小 。现实情况中，电液换向阀的延迟时间-般是固定的。因此，系统压力波动量的大型撒于系统的压水时间。如果输入增压器的低压水中含有空气的话 ，势必会对系统的压力波动产生较大的影响。为揭示增压器的增压原理及气体对压力波动的影响，用动网格技术对增压器的增压过程进行了数值仿真，并针对水中不同含气量下的系统压力波动进行了实验测量。

2增压器内部流动的数值模拟2.1模型建立以增压器作为研究对象 ，用三维制图软件对高压缸内部流道进行建模，将三维模型导入 GAMBIT中，采用混合网格的形式进行了网格划分。对结构较为复杂的部分采用四面体网格，其他部分采用六面体网格，整个网格的生成满足正交性要(20～160)。，高压缸内部流道计算网格，如图4所示。网格数为 335916。

图4计算网格Fig.4 The Grid2.2控制方程基于 N-S方程和湍流模型，应用动网格技术，模拟增压器高压缸中水和气体的压缩过程，其连续性方程和动量方程可以描述为目：E G Js (2)其中，EHppD：ppu(M- )-tz Uxpv(H- )p ( - )pwpu( - ).-i.zpzJ( -wg)-tzepw(w-W )：Js：Gpvpu(v-vg)( )p ( 。 )]OUx) ) )；) ) W ) -p) ) )：式中： 质密度；p～导引压力，p 誓，p， p2誓；旷-速度向量在三个坐标轴上的分量； ， ， -网格的速度矢量在三个坐标轴上的分量； -有效粘性系数。

2.3湍流模型为了封闭方程(2)，还需给出湍流模型，采用标 准湍流模型，模型的控制方程组如下：。

叩s (3)- (c-G c2 (4)式中： c 譬， 1，2，3 方向；G厂湍动能产生二 - 义为 c-o.09； 1.0；tr：1.3；Cl：1.44；C21.92。

2.4边界条件采用压力进 口，压力出口边界条件，进口压力为 0.6MPa，出口压力为380MPa。湍流壁面采用无滑移条件，即 w0。气体压缩时密度关系式采用 ideal-gas，水压缩时编写自定义函数如下 ：No.1Jan.2013 机械设计与制造 161为 120I./h。调节气阀，往水中通气，控制气体的流量为水流量的5%，10%和 15%，即 100ml/min，200ml/min和 300ml/min。通过压力传感器记录不同含气量下，流出蓄能器的高压水的压力，并将记录下的数据描叙成曲线，如图 1 1所示。

2902852802752702651.1 1-2 1.3 1.4 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7S图 11不同含气量压力变化图Fig.1 1 The Curve of Pressure with Different Air Content4计算结果与实验结果分析水增压过程中不同时刻的静压分布图，如图5～图7所示。从图中我们可以看出，增压器高压腔在压水过程中，压力呈有规律的梯度分布，越靠近运动边界，压力越大，远离运动边界，压力越低。同时，由于活塞的运动将使高压腔内部产生较大的压力变化，可以把这种压力变化看作为-种压力波。压力波有压缩波和稀疏波之分，增压器在压水过程中产生的压力波是压缩波，压缩波在流体中将以声速往前推进。随着压缩时间的推移，压缩波不断往高压腔内部延伸，因此形成了如图5、图 6所示的压力分布↑似认为声音在水中的传播速度为 1500m/s，当时间t1.24x10%时，压缩波可传播 186mm，而整个流道长 184mm，此时压缩波已传播到高压腔底部，高压腔底部的水也开始压缩增压。当压缩波传播到高压腔底部遇到单向阀后，以相同的振幅和相同的符号返回，反射回来的压缩波与传播的压缩波相互抵消，引起整个高压腔的压力逐渐趋于恒定，行成压力分布，如图7所示。

1.12e.4s时水增压时的压力分布图，如图8所示。气体增压时的压力分布图，如图9所示。与图8比较，可以看出高压缸内部的压力都比较小，而且压力波传播的距离也比较短。压力比较小是因为气体较水更容易压缩，而且气体的压缩系数小，相同体积压缩量，气体压力的升高量要比水的升高量小得多。由于声音在空气中的传播速度远远小于在水中的传播速度，压力波在空气中的传播速度也远小于在水中的传播速度，相同时间内，压力波在水中的传播距离要远远大于在空气中的传播距离，这就是图9中还有大部分计算区域压力为0.6MPa的原因。

从上面的分析可以看出，增压器增压过程是-个逐层增压的过程，靠近运动边界增压快，远离运动边界增压慢。同时，如果水中含有气体，将会引起增压器内部压力的降低，而且压力波传播的距离也将缩小，这两方面的影响都将增加增压器压缩水的时间，引起整个超高压系统更大的压力波动量。不同含气量下记录的高压水的压力值，如图11所示。从图11中我们也可以看出：当水中不含气体时，系统压力波动量为3MPa；当含气量为5%时，系统的压力波动量为6MPa；当含气量为 10%时，系统压力波动量为 8MPa，；当含气量为15%时，系统的压力波动量达到 12MPa。

水中含气量增加，系统压力波动量也增大，这与前面的分析是相吻合的。

5结论由数值计算和实验数据可以得出：增压器增压过程是-个逐层增压的过程，同时随着水中含气量的增加，系统的压力波动量也开始增加。因此，在实际操作中，要避免气体流入增压器中，必要的时候，可以在管道中安装气液分离器来去除水中残留的气体。