航空过滤器压力脉动衰减抑制机理分析

2024-03-07赵龙超张遨翔张乾瑞

液压与气动 2024年1期

赵龙超, 张遨翔, 姚静,3, 杨帅, 张乾瑞

(1.燕山大学机械工程学院, 河北秦皇岛 066004; 2.新乡航空工业(集团)有限公司, 河南新乡 453002;3.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室, 河北秦皇岛 066004)

引言

应急放能源系统是当飞机液压系统失效时用于飞机起落架收放的应急动力单元,是保证飞机运行安全的重要组件;但是该系统存在压力脉动大、系统不稳定等问题,在泵源后加入软管及油滤后系统压力脉动幅值大幅衰减,大大提高了系统的运行安全性能,本研究针对某型过滤器压力脉动衰减抑制机理及关键参数进行了分析。

过滤器相当于被动式脉动衰减器,被动式脉动衰减器可分为三大类[1]:吸收式、反射式及复合式脉动衰减器。吸收式脉动衰减器主要利用软管、蓄能器或弹性材料的变形来达到衰减的目的[2-3],一般具有良好的低频脉动衰减效果。反射式脉动衰减器主要利用腔体来衰减脉动,其衰减原理是:横截面积不连续使得管道内传播的压力波产生阻抗失配,从而导致部分压力波反射回压力源或在衰减器内部来回反射,阻碍了压力波能量向下传播,一般具有良好的高频脉动衰减效果[4-7],常见的有Herschel-Quinck管、扩张室压力脉动衰减器和Helmholtz谐振器[8]。复合式脉动衰减器结合吸收式和反射式脉动衰减器各自的特点,将两者组合在一起从而获得从低频到高频的良好衰减效果。根据过滤器腔体结构特征确定为扩张室型脉动衰减器。

关于扩张室型脉动衰减器很多学者已经做了很多研究,王岩等[9]对扩张室压力脉动衰减器的研究现状做了总结,重点介绍了频域法、时域法、计算流体动力学分析法等研究方法,并认为会在结构优化改进、集成化、智能化等方面发展;杨帆等[10-12]利用老化的聚氨酯柔性衬里安装在扩张室内部,组合成复合式脉动衰减器,显著改善了脉动衰减器的插入损失;袁军等[13]将扩张室内部分为多个区域,多个不同的腔体组合形成一种复合式广谱液压脉动衰减器,通过参数设计实现对多个频段的脉动衰减。

但对于过滤器形式的扩张室型脉动衰减器相关研究还较少,本研究结合过滤器的特征,利用仿真与实验相结合的手段,验证过滤器脉动衰减原理,并利用仿真得到过滤器腔体直径、腔体长度、入口直径、出口直径为影响过滤器传递损失的关键参数,为小流量液压系统过滤器设计提供了新的思路。

1 过滤器系统介绍

应急放能源系统是当飞机液压系统失效时用于飞机起落架收放的应急动力单元,其应急电力通过电动泵后连接软管及过滤器后进入系统,负责控制飞机起落架的下放。图1为过滤器结构示意图。整体结构主要由上下两部分通过螺纹连接组合而成,滤芯被固定在中间。入口流道直径为4 mm,出口流道直径为10 mm,腔体直径36 mm。

图1 过滤器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of filter structure

2 过滤器压力脉动衰减性能计算方法

2.1 压力声学波动方程

过滤器简化几何模型如图2所示,忽略一些细节结构进行理论分析,过滤器滤芯看做多孔介质,内部穿孔板看做穿孔壁面,整体回流腔由入口、出口、腔体部分组成,由压力声学计算方法[14-15]进行分析。

图2 简化过滤器系统结构图Fig.2 Simplified filter system structure diagram

声学方程来源于流体方程,即质量守恒方程:

(1)

动量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

以及本构关系方程:

ρ=ρ(p,T)

(4)

式中,ρ—— 流体密度

u—— 流体速度

F—— 体积力

σ—— 总应力

τ—— 切应力

T—— 温度

Cp—— 比热

α0—— 热扩散率

q=-K▽T

(5)

(6)

式中,q—— 热通量

K—— 热传导率

p—— 压力

μ—— 黏度

I—— 偏导数符号

不考虑热力学效应,有如下方程:

(7)

p0=Rρ0T

(8)

可得:

(9)

式中,γ—— 无量纲常数

R —— 摩尔气体常数

c—— 声速

忽略黏性损耗,将式(9)代入式(1)中消去ρ,然后对时间进行微分,再对式(2)取散度,二者相减得到时域下的声学方程为:

(10)

转化到频域下的压力声学方程为:

(11)

式中,ω为压力波角频率。这是一个波动方程,在频域上为线性,假设所有激励和响应是时谐的,计算稳态解时计算效率较高。

2.2 多孔介质区域

滤芯是一种金属纤维烧结毡材料,采用直径为微米级的金属纤维,经无纺铺制、叠配及高温烧结而成。多层金属纤维毡由不同孔径层形成孔梯度,可控制得到极高的过滤精度和较单层毡更大的纳污量。

金属纤维烧结毡属于多孔金属材料,多孔金属的吸声机理总结起来主要分为黏滞效应和温度效应。压力波在流体介质中传播时,介质中相邻质点运动速率不同,产生相互的摩擦力,即黏滞力,阻碍质点的运动。因此压力波在流体中传播受黏滞力影响,声能转换成热能消耗掉。此外,压力波通过流体时会引起介质的体积的变化,从而带来温度的改变,相邻区域内产生的温度差会让一部分能量流向低温区域介质中,产生热量交换,从而使声能以热量形式消耗。吸声机理如图3所示。

Delany-Bazley模型是基于实验结果的经验模型[14],模型中推导出了两个重要的参量,即纤维多孔金属的特征阻抗和等效波数。用Delany-Bazley模型计算多层材料的吸声时,材料的表面阻抗在低频处出现了负值,修正后的Delany-Bazley-Miki模型在低频处更加准确,在与Delany-Bazley模型相同的边界条件下得到了较好改善:

(12)

(13)

式中,ζc—— 特征阻抗

k—— 等效波数

f—— 压力波频率

Rf—— 流阻率

2.3 穿孔板区域

声学理论中穿孔元件是一种在管壁或板上穿有大量小孔的结构,在消声器中被广泛使用。在抗性消声器中,使用穿孔元件的目的是为了降低流动阻力损失以及改善特定频率范围内的消声性能。

在阻性消声器中,使用穿孔元件用来保护吸声材料以免被气流吹出。为了计算含有穿孔元件消声器的声学性能,首先需要确定穿孔声阻抗。穿孔声阻抗是穿孔消声器声学性能计算中极其重要的一个参数。由于消声器中使用的穿孔管和穿孔板一般是多孔薄壁结构,解析描述每个孔内的声传播以及孔间的相互作用是非常困难,甚至是不现实的,因此在消声器声学性能计算中通常使用穿孔声阻抗来表示穿孔元件的声学特性。穿孔声阻抗是一些物理变量的复杂函数,包括穿孔率、孔径、壁厚、孔内平均流速等,同时其也是频率的函数。由于穿孔声阻抗的解析表达式很难获得,人们采取了各种方法测量或计算穿孔声阻抗,并得到了一些经验公式,该理论同样适用于流体介质[15]。

穿孔声阻抗定义为穿孔元件两侧的声压之差与质点振速之比,即:

(14)

式中,ζp—— 穿孔阻抗

穿孔声阻抗率则为:

(15)

式中,j—— 虚数单位

Rp—— 穿孔声阻率

Xp—— 穿孔声抗率

(16)

(17)

式中,μ—— 动力黏度

tw—— 穿孔板厚度

dh—— 孔的直径

ζ0—— 介质特性阻抗

k—— 波数

α—— 端部修正系数

Φ—— 穿孔率

2.4 边界条件

在液压油流体域Va内,过滤器边界条件可以如下表示:

(1) 在进口边界上,设法向速度为已知,即:

(18)

(2) 在出口边界上,设法向阻抗为已知,即:

pa/una=ρacaζout

(19)

(3) 在刚性壁面上,法向速度为0,即:

una=0

(20)

(4) 在穿孔壁面上,两侧的压力差与法向质点速度间的关系可以表示为:

(pa-pb)/una=ρacaζp

(21)

式中,ρa—— 液压油密度

ca—— 液压油中声速

ζp—— 穿孔阻抗

ζout—— 出口阻抗

在多孔介质流体域Vb内,相应的边界条件为:

(1) 在刚性壁面上,法向速度为0,即:

una=0

(22)

(2) 在穿孔壁面上,两侧的压力差与法向速度间的关系用式(19)来表示。考虑到穿孔两侧的法向速度连续,于是有:

(pb-pa)/unb=ρacaζp

(23)

2.5 传递损失计算

(24)

其中,pin,uin,pout,uout分别为进出口面上的平均压力和速度。

为了求得过滤器的四极参数,首先设定出口面上的速度为0,求出T11和T21;然后令出口面上的压力为0,求出T12和T22。即:

(25)

(26)

(27)

(28)

将获得的四极参数代入即可计算出过滤器的传递损失:

(29)

3 过滤器有限元仿真

Comsol Multiphysics 6.0是一个多物理场仿真建模工具,内置丰富的预置多理场建模接口,灵活的通用数学接口,与第三方软件同步链接,并具备开发工具如模型开发器、物理场开发器、App开发器等,在压力波声学领域有较高的计算精度,故本次仿真采用此软件。

3.1 Comsol模型的建立

过滤器仿真模型主要由腔体、滤芯、穿孔板等组件组成,滤芯采用多孔介质模型,流体域划分为两部分,一部分为液压油,另一部分为多孔介质,如图4所示进行区域划分,相关仿真参数如表1所示。

表1 过滤器仿真参数设置Tab.1 Filter simulation parameter setting

图4 过滤器整体仿真模型Fig.4 Filter overall simulation model

3.2 仿真结果分析

1) 过滤器各组件传递损失影响分析

应急放能源系统液压泵为9柱塞定量泵,转速为7600 r/min,泵源脉动频率经计算为1140 Hz,由图5可知,在目标频段(1140 Hz及以下)部分,过滤器腔体为传递损失主要影响因素,滤芯及穿孔板影响较小,在5000～7000 Hz高频处滤芯作用较为明显。在1140 Hz处,过滤器整体传递损失为18.8 dB,而对于低频处,传递损失较小,表现为低通滤波特性。

图5 过滤器各组件传递损失图Fig.5 Transmission loss diagram of filter

2) 过滤器各参数对传递损失影响分析

由表2和图6可得,影响过滤器传递损失的主要参数为腔体直径、腔体长度、入口直径、出口直径,滤芯不同流阻对过滤器传递损失影响较小, 此处流阻1相当于108Pa·s/m3。腔体直径越大,出入口直径越小,过滤器传递损失越大;过滤器腔体直径、入口直径、出口直径影响的是出入口的面积比的变化,这也是传递损失改变的原因。腔体长度越长,过滤器传递损失越大; 过滤器腔体长度会影响脉动压力波反射的相位叠加,进而影响脉动最佳衰减频率,根据回流腔理论分析可知,回流腔长度为波长的1/4时达到最佳衰减频率,所以改变腔体长度会影响最佳衰减频率。

表2 液压泵脉动频率(1140 Hz)过滤器传递损失Tab.2 Hydraulic pump pulse frequency (1140 Hz) filter transmission loss

图6 滤芯不同参数下过滤器传递损失Fig.6 Transfer loss under different parameters

4 过滤器压力脉动衰减实验

过滤器压力脉动测试实验所用设备如下:电动泵额定转速7600 r/min,恒压变量泵额定流量为5 L/min,驱动供电电压115 V三相交流电,400 Hz恒频,泵额定输出压力21±0.5 MPa,全流量压力不小于19.6 MPa;油滤过滤精度5 μm;压力脉动传感器为HELM汉姆HM90,采样速率为每秒10000个数据点;采集设备为NI板卡,采样速率为每秒25000个数据点。工作介质为满足GJB 1177A—2013的15号航空液压油,工作时温度范围为-55～135 ℃。

实验测试时系统压力设定为21 MPa,系统中的流量为5 L/min,过滤器腔体直径36 mm、腔体长度100 mm、入口直径4 mm、出口直径10 mm。在该工况下,柱塞泵产生的压力脉动通过软管、过滤器到节流阀,如图7所示。测试泵出口、软管后、油滤后的压力脉动。测得压力脉动曲线如图8所示。液压泵脉动频率理论计算为1140 Hz,实际测试为1195 Hz,误差在5%范围内,压力测试频谱如图9所示。

1.电动泵 2.安全阀 3.软管 4.过滤器 5.节流阀

图8 压力脉动测试结果图Fig.8 Pressure pulsation test result diagram

图9 压力脉动测试频谱图Fig.9 Pressure fluctuation test spectrum

从表3和图8、图9中可以看出,在经过过滤器后脉动频率从1195 Hz减小到400 Hz,主要原因为1195 Hz频率成分被大幅衰减,与仿真结果一致,脉动幅值在经过软管和过滤器后均有衰减,软管后的脉动衰减率为48%,过滤器后的脉动衰减率为72%。过滤器有良好的压力脉动衰减效果。

表3 过滤器压力脉动衰减结果Tab.3 Filter pressure pulsation attenuation result

更换不同腔体直径(36, 46, 56 mm)做对比实验,测量点为油滤后,结果如图10所示。从表4及图11中可以看出,腔体直径从36 mm到46 mm及56 mm后,1195 Hz的脉动频率进一步被衰减,脉动大小从20.88±0.15 MPa衰减至20.85±0.10 MPa、20.82±0.08 MPa,衰减幅度分别为33%和46%,而400 Hz的脉动频率幅值基本保持一致,与仿真结果一致,并且随着直径的进一步增大,脉动衰减削弱趋势减小。