【摘 要】
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管内气泡流动广泛存在于各类工业系统气液两相流中,而在重要船舶机械液压系统液压油中,通常含有部分气体,在船体剧烈摇晃作用下,或是泵站工作异常的情况下可能会出现气泡进入高压管路中,从而导致整个液压系统工作迟滞、管路振动或噪声。对液压系统工作压力下气液传质问题已有学者进行过相关研究,但关于高压情况下气泡流动对液压系统管路的影响研究甚少。本文利用多点系泊系统锚链提升器的液压管路作为研究对象,在现有液压系统
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“船舶液压系统流动介质边界层观测点的优化布置理论及其状态模型研究”（51779026）； 工信部高技术船舶科研计划“浮式生产储油船（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）工程示范应用专项“多点系泊系统集成及关键设备研制”（工信部装函[2018]473号）；
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管内气泡流动广泛存在于各类工业系统气液两相流中,而在重要船舶机械液压系统液压油中,通常含有部分气体,在船体剧烈摇晃作用下,或是泵站工作异常的情况下可能会出现气泡进入高压管路中,从而导致整个液压系统工作迟滞、管路振动或噪声。对液压系统工作压力下气液传质问题已有学者进行过相关研究,但关于高压情况下气泡流动对液压系统管路的影响研究甚少。本文利用多点系泊系统锚链提升器的液压管路作为研究对象,在现有液压系统状态监测的背景下,通过对液压系统中气泡对边界层动态参数（即边界层速度梯度）的影响进行研究,提出了一种新的液压系统空气污染监测方法。文章主要做了以下几个方面的研究:（1）利用ANSYS Fluent软件构建三维模型,并对水平液压直圆管和90°弯圆管进行了网格划分,通过对流体流经直管和弯管的压降与理论计算值作对比分析,进行了可靠性分析;通过不同数量的网格对液压油径向流速剖面的影响分析验证了网格无关性。得到了合适的划分方案,仿真结果与理论值基本吻合度。（2）利用气液两相流原理以及边界层原理对16mm水平液压直圆管进行数值仿真模拟,分析了气泡在液压管路边界层的流动形态,并通过提取气相体积在截面上的浓度确定数据点位的选取,得到气泡在液压油中流动的流型变化规律:截面面积浓度具有独特的内部结构,由于浮力的作用,最大峰值出现在管顶附近;不同径向方向的气泡受边界层速度梯度的影响不同,越靠近管路壁面,气泡的移动速度更慢,变形程度更严重。随着时间的增加,气泡更靠近上管壁,且更容易被分离成更小的条状气团;当气泡仍处于圆球状时,影响比发生形变呈长条状后更为剧烈;在定点位置,气泡对液压油边界层速度梯度的影响随时间的增加而变小。根据分析得到:可以在0.1s左右,在管路入口不远处监测到相对较大的速度梯度变化并以此判定液压油管路受到空气污染的变化。（3）通过对90°圆弯管进行数值模拟,对其边界层内气泡的流动形态进行了仿真分析,得到了90弯管对边界层速度梯度的影响规律以及不同直径的气泡对弯管边界层的速度梯度影响规律:当到达弯管入口截面时,其边界层速度梯度的最大值仅出现在下壁面,并且远远大于其他截面的最大值。靠近上壁面的速度梯度值则变得很小,极大值也开始远离壁面;气泡对边界层速度梯度的影响随着气泡直径的增加越来越大。当气泡的直径为0.01 mm,边界层速度梯度变化极小。因此我们可以判定当气泡直径小于0.01 mm时,不能通过监测边界层速度梯度的方法来识别液压管路的空气污染。（4）通过搭建的液压油-气泡流动实验回路,运用高速摄像机对气泡在上管壁边界层内的流动形态进行了观察实验研究,对比验证了仿真结果的准确性。利用反射式光纤传感器对透明管路的进行了气泡识别,最终得到:在水平液压油管路气泡观察实验中,气泡的流动形态与仿真结果吻合度高;通过反射式光纤传感器也能对液压管路空气污染进行识别。
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