浙大教授研究“气泡”13年 成功破解工程难题

 

2019-09-17 00:30

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  烧水的时候,壶里会传出“嗞嗞”的声音,随着温度升高声音越来越大,沸腾时却嘎然而止。这一常见的从“无声”到“有声”再到“无声”的现象,是由于气泡在一个变化的温度场中的活动产生的。类似的现象也会出现在机电装备常用的液压系统中,却包含着比烧水更为复杂而深奥的“秘密”。浙江大学机械系傅新教授课题组有一项持续了近13年的研究,与液体中的“气泡”有关,也与“噪声”有关。他们把一个工程上的难题抽丝剥茧,通过基础研究摸清了机理,并再次化为解决工程实际问题的方法。

  傅新教授的“老本行”,是研究液压元件中的流动现象,为元件设计提供依据,让它们更加稳定、高效和长寿。六七年的工程研究下来,课题组注意到:“捣蛋”的不光是复杂的流动,更主要是裹挟在液体介质中的那些“不期而至”的气泡。专业上,它们称为“群空泡”。“一般的工程设计人员,在设计阀口过流面积的时候,把介质看作单相流,”傅新说,“但在实际运行过程中,阀口流体介质会被‘空化’,成为气液两相流,对元件的性能有很大的影响。”傅新的实验室用高强度透明材料制作阀体,观察了大量不同阀口的流动现象,在阀口位置,一旦发生空化现象,就可以看到一群空泡在涌动。空泡多了,会带来很多麻烦事”。傅新说,在液压系统中,泵、马达、液压阀等的内部结构非常复杂,常常有突扩和突缩的流道,压差和温差又非常大,这样给空泡的产生创造了条件。“很多的空泡溃灭时,会产生很大的噪声,成为液压元件中的主要噪声源之一。”同时,看似“柔弱”的空泡接触元件壁面时,会产生“杀伤力”很大的微射流,许多个这样的空泡在近壁面溃灭,时间长了,再坚硬的固体表面也“吃不消”,表面会有微小的坑坑洼洼,像被腐蚀过一样,人称“气蚀”,这在液压系统中非常常见。介质空化的危害很大,它还会让阀芯产生振动、流量发生变化,导致液压元件性能下降。“怎样控制和减少空化的现象,是我们面对的一个重要课题。”傅新说。2001年,世界著名的挖掘机制造商之一日立建机发现傅新课题组所研究的问题,也正是他们在工程实际中碰到的难题,共同的研究兴趣使双方走到了一起。把脉“气泡”遇到问题,就要找到解决的方法。在这场持续了多年的“持久战”中,课题组动用了“看、听、测、算”的手段,“把脉”这些难以琢磨的“气泡”。为了“看”明白流动的细节,弄清气泡到底怎样在“捣鬼”,实验室添置了价值70多万的高速摄影机;“听”,就是用传感器去代替人的耳朵,从“噪声”的频谱特征中,去分析空化的程度和空泡的尺度;为了搞清楚压力梯度对空化和噪声的影响,课题组还发明了一套装置去“测”阀口局部的压力分布;另外,还通过仿真计“算”,模拟阀口流动的现象。“在不同结构的液压阀中,我们看到了群空泡不同的形成过程。比如:在U型阀口,流体会形成两个对称的漩涡,诱发大尺度的空穴,这是一个新的发现。”傅新说。他们进一步发现,这种大尺度的“空穴”会抑制气泡的产生,“因为‘空穴’占据了局部的低压空间,空化的初生受到抑制。这给我们在空化控制方面提供了启示,我们在设计阀口时,就要有利于在阀口局部形成大尺度的‘空穴’。”听”到的结果也很有意思。传统的观点认为,气泡多了,噪声就会大一些,但实验的结果则不然,压力梯度实际是个关键的因素;同样有大量气泡,V型阀口比U型口噪声要大,还有啸叫声,进一步的计算和模拟发现,充分发展剪切层的不稳定性是V型阀口啸叫的根源。事实上,“噪声”的形成,气泡只是一个必要条件,还需要一个充分条件:气泡必须经过变化的压力场或者温度场。“烧水的时候,壶里传出来的声音,就是气泡经过变化的温度场引起的,同样的道理,当气泡流经剧烈变化的阀口压力场的时候,当然会产生强烈的噪声。”傅新说,“所以,如果能把压力场的变化控制到很低,噪声也就会降下来。”平息“气泡”大量的实验结果为工程设计提供了线索。傅新说,现在我们已经找到了一些抑制空化和降低噪声的方法。比如,在阀口设计时,采用二次节流的办法,减小压力的变化;利用漩涡对空化的调制作用,通过阀口结构的设计,形成稳定的空穴,这样气泡会聚集起来,看起来气泡很大,但是噪声是低的;另外一个做法,降低液压介质中的气体含量,用漩涡聚集气体,将其排出……在国家自然科学基金和日立建机的支持下,这项研究已经先后有7位博士生参与,一些理论成果陆续在《PHYSICSOFFLUIDS》、《PHYSICSREVIEW》上发表,课题组成员多次受邀到相关国际学术论坛上做大会报告。邹俊博士因为在液压介质空化中所做的基础研究工作,在2012年获得国家自然科学基金委首批优秀青年基金的资助。“这件事情一开始是为了解决工程应用问题。但做到一定程度的时候,我们发现如果脱离了基础研究,对问题的认识和解决都不会彻底。”傅新说,接下来,这项研究还会持续很长时间,“现在我们正在试验一套‘无’空化液压系统,希望能彻底把气泡根除掉,这个尝试如果能奏效,对未来液压元件的设计,会产生很大的影响。”(编辑 蔡明奕)

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