【CJME论文推荐】燕山大学张立杰教授团队：气液两相流动态体积模量的理论模型

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引用论文

Yuan, X., Wang, W., Zhu, X. et al. Theoretical Model of Dynamic Bulk Modulus for Aerated Hydraulic Fluid. Chin. J. Mech. Eng. 35, 121 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00794-1
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研究背景

体积弹性模量是表征气液两相流体压缩特性的重要参数，直接影响流体传动系统的模态特性，进而影响系统的动态特性。现有流体体积弹性模量模型主要考虑系统压力和含气率两方面的影响，而未考虑温度对于体积弹性模量的作用。

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研究内容

      采用集中参数法，在完全空化模型的基础上，引入热力学参数，建立了气液两相流体动态体积弹性模量理论模型。并基于此模型分析了初始含气率、压力变化周期和温度对动态体积弹性模量的影响。

      由图1可知，相同压力下，初始含气率越高，含气油液的动态体积弹性模量越小。其原因在于空气的析出消解速率主要由其所受压力决定，初始含气率越高，相同压力下含气油液中剩余的游离空气数量越多，体积弹性模量越小。

图1 不同初始含气率下含气油液的动态体积弹性模量变化

      由图2可知，在相同初始含气率下，压力变化周期越长，相同压力下含气油液的动态体积弹性模量越大，其原因在于当初始含气率相同时，压力的变化周期越长，含气油液处于空气分离压以上的时间越长，空气溶解得更加充分，游离空气量更少，因此，含气油液的动态体积弹性模量较大。

图2 不同压力变化周期下的含气油液的动态体积弹性模量变化

      由图3可知，当初始含气率和压力变化周期相同时，在同一压力点下，温度越高，含气油液的动态体积弹性模量越小。其原因在于随着温度的升高，油液体积会有所膨胀，导致油液密度有下降的趋势，从而引起油液体积弹性模量的下降；此外，当温度升高，气体分子的热运动加快，使得气体有析出的趋势，自由气体在混合流体中所占比重上升，从而导致含气油液体积弹性模量的下降。

图3 不同油液温度下含气油液的动态体积弹性模量变化

      由图5可知，将理论模型与压缩过程中不同温度下的实验数据进行对比，当油温为30℃时，通过理论计算得到的动态体积弹性模量理论值与实验值的拟合优度为0.9726；当油温为35℃时，拟合优度为0.9732；当油温为45℃时，拟合优度则为0.9675。理论计算和实验结果间的误差较小，验证了理论模型的准确性。

图4 体积弹性模量测量实验系统原理图

图5 动态体积弹性模量的理论和实验结果对比

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展望（发展趋势）

(1) 在对理论模型进行改进与完善的基础上，定量分析体积弹性模量变化对液压系统性能的影响规律。

(2) 优化静动态体积弹性模量测量的实验装置，获取更详尽的实验数据，从机器学习的角度分析体积弹性模量在各种工况下的变化规律。

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团队带头人介绍

张立杰，男，1969年3月出生，中共党员，工学博士，教授，博士研究生导师，美国爱荷华州立大学高级访问学者，现任河北农业大学校长。科研领域为液压测控技术与故障诊断、机构学及机器人技术。获河北省自然科学一等奖1项，河北省科技进步二等奖一项，授权发明专利20余项，发表学术论文100余篇。已主持完成国家自然科学基金项目3项、国家重点研发计划课题2项，校企合作科研项目30余项。

作者介绍

袁晓明（本文第一作者），男，1984年3月出生，中共党员，工学博士，副教授，博士研究生导师，现任燕山大学机械工程学院机电控制系副主任。科研领域为多物理场耦合动力学与协同优化设计、机液耦合系统动力学。获河北省科技进步二等奖一项，授权发明专利12项，发表学术论文60余篇。主持国家自然科学基金面上和青年科学基金各1项、国家重点研发计划子课题2项、河北省自然科学基金2项、校企合作项目10余项。

团队研究方向

(1)基于混联机构的舰船载液压伺服稳定输送平台关键技术(2)消防喷嘴内外流场演化机理与协同优化设计(3)高压多路阀设计制造关键共性技术(4)高端运载装备输流管路系统动力学

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作      者：袁晓明责任编辑：谢雅洁责任校对：向映姣审      核：张   强

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