变径管道流场分析

　　在液压系统中，很多因素都影响着系统的动静态特性，管道也是其中之一。液体在管道内流动，主要呈现出层流和紊流两种状态，管道形状直接影响着这两种状态的变化^[1]。变化的流动状态产生的液阻带来了压力损失，这就表明压力损失与管道形状和变化管径有很直接的关系。压力损失会直接造成系统发热^[2]，因此合理的管道变化有利于减低能耗、降低压力损失。

　　在以往的研究以及实践中都证明，适当的管道长度能得到最低的管道压力损失。近年来，在流体系统中，集成化已成为发展的趋势，因此，一些突变截面在实际应用中不可避免。流体经过截面突变管时，由于截面积、流动方向的急剧变化，流体间的摩擦，碰撞都会急剧增加，形成涡流^[3]，从而产生局部压力损失。突变截面也分多种情况: 进口大出口小、进口小出口大、管路分流或节流。

　　1 管径突然缩小流体流动状态

　　在阀台、油路体、阀与阀台的连接处、管道与阀台的连接处、阀体内部均可见到突变截面。本文模拟所采用流体为水，不考虑粘度的影响。

　　从图1、图2 可以看出，在半径突变处，大径周围形成了涡流，同时半径变小处有强烈的涡流，形成的涡流，使周围的压力急剧降低，进而形成真空，在此作用下，充斥在管道中的空气爆破，多次反复作用，终将造成振动、气蚀等破坏^[4-5]。流动方向的骤然变化也引起流体对管壁的剧烈冲击。两图对比可以看出，当管径差大时，流体的变化速率加快，在变径处形成的涡流也比变径小时大。稳定的层流状态经过突变后，流体的特征也变成紊流，压力流体的力在各个方向上作用于通道，形成对管壁处形成集中、强烈的冲击。这符合流体力学的伯努利方程^[6]:

　　式中: p₁、p₂分别为大、小通径管道的压力;

　　u₁、u₂分别为大、小通径管道的流速;

　　h_j为压力损失，h = ζ* u₂₁/2g，ζ = 0. 5( 1 -A₂/ A₁) .

　　假设流体为不可压缩，根据流量连续性方程:

　　上式中: Q 为系统流量; A₁、A₂为大、小通径管道面积。

　　联立上两式，可知，系统的压力损失随着管径变化的增大逐渐增大。

　　必须采取有效手段来减少液压冲击，对系统及元器件加以保护，以延长设备使用寿命，通常采取的措施是变径接头，图3、图4 是对采取变径接头后变径处流场的分析结果: