会产生很大的噪声

2020-03-13 00:03栏目:首页
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今年,《自然·中国》的重点提示专栏,评述了浙大机械系邹俊、吉晨、袁宝刚、阮晓东、傅新在国际著名期刊《物理评论E》上发表的关于气泡溃灭的研究论文。这是目前列入《自然·中国》2013年中国物理领域研究亮点的16篇论文之一。课题组负责人傅新教授说,这篇论文,是他们一项持续了10多年的研究中的一个“小发现”,也是用基础研究来解决工程应用问题的探索。烧水的时候,壶里会传出“吱吱”的声音,这种声音随着温度升高越来越大,沸腾时却戛然而止。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。小气泡引发的大麻烦傅新的“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”。“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”,在液压系统中非常常见。“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。把脉“气泡”遇到问题,先要找到解决的方法。在这场“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形阀口,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形阀口比U形口噪声要大,还有啸叫声。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。“烧水时,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,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”傅新说,现在已经找到了一些抑制空化和降低噪声的方法。比如,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……“有意思的是,这件事情一开始是为了解决液压系统的工程应用问题。但是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。”(余建斌)

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