（机械电子工程专业论文）含气量和剪切空化实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 剪切流是液压元器件工作间隙内的典型流动现象 它广泛存在于具有相对 滑动的微间隙内 诸如马达配流盘与缸体配合间隙内流体的运动 以及动 静 压轴承中的润滑等 这种剪切现象可能造成液膜破裂或空化 由此造成材料的 磨损 空泡侵蚀 甚至噪声等一系列问题 本文针对这一实际问题 利用一些 自制实验设备 对流体中的剪切空化现象进了实验研究 本文主要做了以下几 方面工作 1 流体中的含气量是影响剪切空化的重要因素 准确测量流体中的含气 量是研究含气量对剪切空化影响的重要内容 利用一种自制的容积式含气量测 量装置 测量了一定温度和压力范围内 空气在5 0 0 c s t 二甲基硅油和液压油中 的溶解度 对溶解度数据进行关联处理 获得本生溶解度对压力和温度的依赖 关系式 溶解度数据的结果分析表明 本生溶解度与气相压力呈较好的线性关 系 发现分子量差异很大的两种硅油 对空气的本生溶解度近似相同 2 将自制c o u e t t e 流变仪改进后 开展了含气量对剪切空化初生影响的实 验研究 证明二甲基硅油在相当大的空气过饱和 饱和及欠饱和范围内均会发 生剪切空化 获得了空化初生时临界剪切应力与环境压力的对应关系 发现根 据实验流体的温度变化判定空化初生是可行的 获得了饱和比与剪切空化初生 时p e c l e t 数 毛细数及空化指数的关系式 3 1 述实验是利用尼龙内圆筒在实验间隙为0 3 m m 的条件下开展的 接下 来又利用钢质内圆筒在实验间隙为l m m 的条件下 针对硅油开展了剪切空化 实验研究 对比两种不同内圆筒下的空化实验现象 发现钢质内圆筒下很难发 生剪切空化现象 进一步探讨造成实验现象差异的原因 实验发现两内圆筒表 面特性并无重大差别 不是造成实验结果差异的原因 而两种实验情况下液膜 厚度不同 钢质内圆筒间隙变大 所导致的流体稳定性不同以及两内圆筒热导 率的差异 热导率相差1 5 0 倍 是造成实验结果差异的主因 4 对于粘弹性流体 法向应力和粘度是影响剪切空化现象的两个重要因 素 文中利用旋转流变仪 测量了粘弹性流体聚二甲基硅氧烷 p d m s 的主 要流变参数 即粘度 法向应力等 结合测量结果 利用多种方法估算了聚二 甲基硅氧烷的分子量 特征松弛时间 同时对流体粘温关系以及法向应力与剪 切率的关系进行了拟合 获得了经验公式 并对不同温度下测量的实验结果进 行了时温叠加处理 还对聚二甲基硅氧烷在一定温度及压力范围内的空气溶解 度进行了测量 获得了气相压力与本生溶解度和摩尔溶解度的关系式 为进一 步研究粘弹性流体剪切空化做了准备工作 关键词 剪切流 剪切空化 空气溶解度 牛顿流体 粘弹性流体 一i 一 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h e a rf l o wi st h et y p i c a lf l o wp h e n o m e n o ni nw o r ks p a c eo fh y d r a u l i c c o m p o n e n t s i ti sw i d e s p r e a di nt h et i n yg a pw i t hr e l a t i v es l i d i n g s u c ha st h ef l o wo f l i q u i di n t h et i n y g a pb e t w e e nm o t o rp o r tp l a t e a n dc y l i n d e ra n dt h ef l o wi n h y d r o s t a t i cb e a r i n g so rd y n a m i cb e a r i n g se t c t h i sp h e n o m e n o nm a yc a u s et h e r u p t u r eo fl i q u i df i l mo rc a v i t a t i o na n dt h e nl e a dt oas e r i e so fi s s u e ss u c ha sw e a r c a v i t a t i o ne r o s i o n o re v e nn o i s ee t c i nr e s p o n s et ot h i sp r a c t i c a lp r o b l e m i nt h i s p a p e rw eh a v ed o n es o m ee x p e r i m e n t so ns h e a rc a v i t a t i o np h e n o m e n o ni nl i q u i d t h r o u g hs o m en e we q u i p m e n t s t h em a i nw o r k id oi sa sf o l l o w s 1 t h ea i rc o n t e n ti nl i q u i di st h ei m p o r t a n tf a c t o rt h a th a sg r e a ti m p a c to n s h e a rc a v i t a t i o n t h u st h em e a s u r e m e n to fa i rc o n t e n ti nl i q u i di sa ni m p o r t a n tp a r t f o rs t u d ys h e a rc a v i t a t i o n w i t han e w l yd e v e l o p e dd e v i c ea n dw i t h i nac e t a i nr a n g e o ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e e x p e r i m e n t so na i rs o l u b i l i t yf o rd i m e t h y ls i l i c o n eo i l a n dh y d r a u l i co i la r ec a r r i e do u t a f t e rt h ed a t ap r o c e s s i n g t h er e l a t i o n g s h i p b e t w e e nb u n s e ns o l u b i l i t ya n dp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ew a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t s o fd a t aa n a l y s i ss h o w e dt h a tt h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nb u n s e ns o l u b i l i t ya n d p r e s s u r ei so b v i o u sa n dt h eb u n s e ns o l u b i l i t yo fa i ri sa p p r o x i m a t et h es a m ef o rt w o d i m e t h y ls i l i c o n eo i ls a m p l e sw i t hs i g n i f i c a n td i f e r e m ti nm o l e c u l a rw e i g h t 2 w i t ht h ei m p r o v e dn e w l yd e v e l o p e dc o u e t t er h e o m e t e r t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fa i rc o n t e n tt os h e a rc a v i t a t i o ni n c e p t i o ni sc a r r i e do u t i t p r o v e st h a ts h e a rc a v i t a t i o nc a no c c u ri n t h es u p e r s a t u r a t e d s a t u r a t e da n dl e s s s a t u r a t e dd i m e t h y ls i l i c o n eo i l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h e a rs t r e s sa n d p r e s s u r ea ts h e a rc a v i t a t i o ni n c e p t i o ni sf o u n d i ti sp r o v e dt h a ti ti sf e a s i b l et oj u d g e s h e a rc a v i t a t i o ni n c e p t i o na c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o ni nl i q u i d t h e e q u a t i o nb e t w e e na i rs a t u r a t i o na n dp e c e l tn u m b e r c a p i l l a r yn u m b e ra n dc a v i t a t i o n i n d e xw a se s t a b l i s h e d 3 t h ee x p e r i m e n t sa b o v ew a sc a r r i e do u tw i m an y l o nc y l i n d e rw i t has m a l l g a po f0 3 r a m w i t han e wc y l i n d e rw h i c hi sm a d ef r o ms t e e la n dh a saw i d e rg a p om m w ec a r r i e do nt h es h e a rc a v i t a t i o ne x p e r i m e n tf o rs i l i c o n eo i l c o m p a r et h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa n df i n di ti sd i f f i c u l tt of i n ds h e a rc a v i t a t i o ni nt h ee x p e r i m e n t 7 i i t l ls t e e lc y l i n d e r t h e nw ed os o m ep r e l i m i n a r yw o r kt oe x p l a i ns u c hp h e n o m e n o n a n df i n dt h e r ei sn og r e a td i f f e r e n c ei nt h ew a l lf e a t u r e sb e t w e e nt h et w oc y l i n d e r s i t i st h ed i f f e r e n c ei nf i l mt h i c k n e s sa n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yt h a tr e s u l t si nt h eb i g d i f f e r e n c ei ne x p e r i m e n t 4 a sf o rv i s c o e l a s t i cl i q u i d n o r m a ls t r e s sa n dv i s c o s i t ya r ei m p o r t a n tf a c t o r s i i 浙江大学硕十学位论文 f o rs h e a rc a v i t a t i o n i nt h i sp a p e rw ef i n i n s ht h ee x p e r i m e n t so nt h ev i s c o e l a s t i c l i q u i dn a m e dp o l y d i m e t h y l s i l o x a n e p d m s lt h r o u g har o t a t i o nr h e o m e t e r d e a l 谢t l l t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t hr e l m i v et h e o r i e s a n da c c e s st or e l a xt i m e n o r m a ls t r e s s s h e a rs t r e s sa n ds oo n a tl a s tt h ee x p e r i m e n to nm e a s u r e m e n to fa r ic o n t e n ti n p d m si sc a r r i e do u ta n dt h ee q u a t i o na b o u tp r e s sa n db u n s e nn u m b e ra n dm o o r e c o n c e n t r a t i o ni se s t a b l i s h e d t h o s ea r ep r e p a r a t o r yw o r kf o rf u r t h e rs t u d yo ns h e a r c a v i t a t i o no fv i s c o e l a s t i cl i q u i d k e y w o r d s s h e a rf l o w s h e a rc a v i t a t i o n a i rs o l u b i l i t y n e w t o nl i q u i d v i s c o e l a s t i cf i q u i d 一n l 一 学号碰星里2 z 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 质i 盈昌 签字日期 研年 月 目日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥鎏苤鲎 有关保留 使用学位论文的规定 有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权逝至三盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 嚷j 妃昌 签字日期 略年 月 翟日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 易硼 签字日期 疹子年么月 2 9 r 日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究背景 液压技术具有功率密度大 元件布置灵活 控制方便 动态性能好以及易 于实现直线运动等突出优点 其应用范围几乎覆盖各个行业 1 1 3 1 如航天 国 防 矿山 船舶 建筑 机械 农业 生活与娱乐等诸方面 然而液压系统中 也存在诸多问题 如泄漏严重 噪声大及液压系统极易受到污染等等 其中液 压系统中的空化现象也一直是影响液压系统稳定性的重要因素 水液压虽然具 有环保的优点 但纯水介质的气化压力远远高于液压油 导致水液压系统内易 发生气蚀现象 其噪声 气蚀和磨损远比液压系统更为突出 成为水液压技术 发展和运用所面临的一大关键问题 4 1 7 1 造成液压元器件产生气蚀和磨损的原因很多 有液体介质在具有各种复杂 流道内流动所形成气穴 旋涡 脉动流 喷流等的原因 也有相对滑动的微间 隙内液膜破裂导致磨损加激的原因 多数的研究集中于液压元器件内的湍流所 诱发的振动及噪声 而针对液压元器件工作过程中的相对滑动 导致微间隙内 液膜破裂直至磨损加剧甚至诱发噪声的研究 相关的研究报道微乎其微 而强剪切流是液压元器件工作间隙内的典型流动现象 它广泛存在于具有相 对滑动的微间隙内 诸如液压泵或马达配流盘问配合间隙内流体的运动 高频运 动的电液伺服阀间隙中流体的运动等 以及全液体摩擦的液体静压轴承及动静压 轴承中流体的运动 上述液压元件间隙内流体的运动 其速度与间隙之比 即剪 切率 从1 0 5 s 1 到数1 0 7 s 1 不等 为典型的强剪切流 如此强的剪切可能造成 液膜的失效 也即破裂或空化 由此引起对材料的磨损 空泡侵蚀 甚至噪声等 一系列问题 1 1 2 空化现象对液压系统的影响 空化现象对液压系统的影响主要表现在以下方面 8 1 压力波动 当系统中存在空泡时 由于空泡破坏了流体的连续性 压力传递遇到在界 面上和不同介质中传播的问题 空泡体积的振荡不断吸收和释放能量 空泡与 油液间的摩擦 消耗压力能 转化为热能消耗 所有这些原因 都会影响压力 传递 造成压力波动 导致元件动作失衡 性能下降的后果 比如针形阀截流 口空化 如图1 1 所示 引起节流阀的冲击 动作失衡 截流作用下降 2 剥蚀 一1 一 浙江大学硕士学位论文 图1 2 表示了空化剥蚀产生金属掉块及表面凸起的情况 它不仅破坏表面 的粗糙度 也带来油液污染 摩擦力增大等一系列问题 金属块进入油液后 或沉积于某处 或楔入元件滑动或转动处 或漂浮于 油液中进入其他元件 都能造成元件磨损 咬死 表面划伤 油路堵塞等现象 致使接触精度 密封性能下降 摩擦增大 动作失稳等故障 图1 1 节流口空化图1 2 剥蚀现象 3 振动 空化诱发的振动表现为局部性 原因在于空化过程中引起的压力波动 如 元件精度不够 流动不对称引起的空化区不均匀 将加剧振动 若振动能量大 也可能引起振动扩散 甚至能够引起共振 振动可以改变联接状态 活动件的 相对位置 以致影响压力传递 元件动作的等 1 1 3 课题研究的意义 强剪切流的空化现象研究具有十分重要的实际意义 通过对强剪切流空化 现象的深入研究 了解强剪切流空化发生的临界状态 影响因素等 有助于对 液压系统进行优化设计 改进 来降低甚至消除空化现象对的液压系统的损害 另外 从剪切使油膜发生空化的角度研究 还有助于弄清科研人员迫切需要解 决的液压元件滑动间隙摩擦磨损机理及寿命问题 在流体动力润滑和密封领域 从强剪切导致油膜失效应力状态变化的角度研究油膜失效的机理也极具参考价 值 虽然滑动轴承承载区的高压处不太可能发生剪切空化 但在入口 出口的 低压区 油膜破裂和空化发展对轴承性能的影响是不可低估的 1 2 空化现象 从1 9 世纪后半叶在螺旋桨叶片上发现空化 9 1 c a v i t a t i o n 现象以来 空化现 象的理论及内容已经有了很大的发展 1 2 1 空化产生机理及研究进展 传统观点认为 1 0 1 空化是由于液体中的局部低压 低于相应温度下该液体的 2 一 浙江大学硕士学位论文 饱和蒸汽压 使液体发生液一气相变而引起的微气泡 或称为气核 爆发性生长 现象 通常见到的液体都不是纯液体 里面含有许多微粒杂质 如固体微粒 微 生物和微气泡 这种微气泡的半径一般在2 0 a n 以下 叫做气核或空化核 假如 一个球状泡悬浮于液体中 则泡内外压强的平衡关系为 p 忍一一2 s 1 1 式中 只 p 分别为气泡内 外压力 为气泡半径 s 为表面张力 由于空泡中的气体是由未溶解的可溶气体或液体蒸汽组成 显然大的气核受 浮力的作用将逐渐上升到液面而溃灭 若气核的内部含有不可溶解的气体 那么 当气核半径小到一定程度时 靠液体分子的布朗运动可以维持稳定悬浮 当气核 半径r o 很小时 由液体表面张力引起的附加压力2 s 较大 于是核内气体压强 将高于泡壁处的流体压强 核内的气体通过泡壁扩散而逐渐溶解 最后气核消失 从以上的推理可以得到如下结论 大气核因浮力作用上升至水面而逸出 小气核 则由于不断溶解而消失 但实际上 却观察到液体中气核的持久悬浮 对此 在 长时间的研究过程中 曾提出过各种不同的假定和看法 1 9 4 4 年 h a r v e y 1 1 提出稳定的气泡核子机理假说 h a r v e y 认为 未溶解的 气核可存在于憎水性的固体缝隙中 因为在这样的情况下 表面张力将起着减小 而不是增加压力的作用 因而气体并不是被强迫溶解 而仍可能保持气相 图1 3 为憎水性裂缝内气核示意图 气核裂隙顶角为2 口 上部为液体 气 液两相间形成一个具有半径为 的凹面 接触角包 兰 口 见图1 3 a 在这种 2 条件下 表面张力的作用是阻止界面进入裂缝的 这样 力的平衡条件可表达为 尸 只 o 竺或 p 竺 1 2 式中 尸为气泡外压力 只为裂隙内气泡内压力 b 为流体蒸气压力 s 为表 面张力 为液面半径 4 b o 图1 3 气核在憎水性裂隙中的稳定 引自文酬1 1 1 假设昂与盯都与 无关 液体局部未饱和 即名超过饱和值 时 气体将 一3 一 浙江大学硕士学位论文 被溶解 液体向前推进 进入裂隙 接触角吼 见 半径 小于平衡值 见图 1 3 b 与此同时 气体的溶解使e 减小 当扩散达到平衡时 接触角仍回到o e 界面稳定在一个新的位置上 裂隙中液体局部过饱和 只小于饱和值 时 从 液体扩散过来的气体将使空腔增大 首先接触角减小到晓 界面曲率增加 接着 液面后退 同时 增大 只也趋于平衡值 见图1 3 c 1 9 5 4 年 福克斯等人提出 微小气核之所以不会溶解 是因为气核被有机 薄膜所包围 这种有机薄膜是在液 气界面上自然而然地形成的 它改变了液体 的有效表面张力 阻碍了扩散 使微小气核可以持久地悬浮 但有机薄膜是否存 在 还有待于物理上的证明 高秋生 1 2 应用热力学原理 对气泡核子作了进一步探讨 并得出在平面平衡 条件下 液体内部不可能稳定地存在纯蒸气泡 在亲水性裂隙中气核是不可能稳 定存在的 而在憎水性裂隙中气核是可以稳定存在的 近3 0 年来测核技术有了 较大的发展 各种方法也随之出现 如超声波法 激光散射法和水动力学法等 各种测量方法均证实了气核的存在 e r g i l m o r e 引用k i r w o o d b e t h e 假设 引入了非线性液体可压缩性后对空泡 运动方程进行了修正 建立了泡壁运动的g o l m o r e 方程 g e r h a r dr o w e c h a r l e s m e r k l e 倪汉根 1 3 j 支w j d 兵和程良骏 1 4 等人在总结前人工作的基础上 假定流场 为稀疏空泡流场 忽略固壁对空泡的影响 空泡运动过程中 保持球形 保持恒 温 在此基础上 从理论上较全面地分析空泡在任意流场中的受力和影响因素 建立了空泡在任意流场中运动的三维控制微分方程 1 2 2 空化的初生 发展与溃灭 空化的初生 发展与溃灭是空化极为重要的三个阶段 液体中的杂质如固 体颗粒 微观气泡和气体等的存在使流体很容易发生空化 随着液体内压力的 降低 液体中的气核开始形成汽泡 当压力继续降低时 汽泡在随着液体流动 的过程中不断长大 当进入压力升高的区域时 汽泡则不断缩小而溃灭 这是 一个复杂的动态过程 它不仅与汽泡本身的参数有关 而且还受到液体的粘滞 性 表面张力 可压缩性和惯性等物理性质的影响 同时还与气体的扩散 溶 解 热传导有一定联系 以上过程为蒸汽汽泡的发育及溃灭的情况 当空泡中 含有气体等永久性气体时 其发育和溃灭的过程将有所不同 通过高速摄影得 到的空泡成长 溃灭过程的照片 如图1 4 所示 可以看出 空泡在达到最大 直径之前有一段较长而连续不断的发育期 紧接着就迅速地溃灭至空泡尺寸为 零 而后又再生一个稍小的空泡 接着又溃灭 这种回弹再生的周期明显地重 复两次 而且有重复多次的迹象 尺寸一次比一次小 一4 一 浙江大学硕士学位论文 弋 鲫后簟 邓 塑 剑l 盲叫 l i i i i i 义 一 繁j l n 四 薰写 次 飞 f 荔 0 0 0 1 0 0 0 2 o 0 0 3o 0 0 40 溺貌0 0 6 时问 曩 图1 4 空泡的空化过程图 引自文酬1 5 1 空化的三个阶段中 空化初生是研究的重点 在实际工程应用中 不管是避 免空化 或利用空化 都关心空化在什么时候发生 当流速不变而压强降低 或 压强不变流速增加 时 流场极小区域内偶然初次出现微小空穴的临界状态称为 空化初生 初生空化的经典理论中通过空化数盯来表征空化初生 把液体的饱和蒸汽压 视作液体发生空化的临界压强 定义了下面的空化数表达式 d p 盯 等 1 3 2 p v 式中 尸和 分别为流动系统中某一选定点的绝对压强和流速 b 为某一温度下 的饱和蒸汽压 p 为液体密度 研究表明 纯水的抗拉强度是非常大的 认为在 纯水中发生空化是不可能的 但水中含有杂质和气核后 水的抗拉强度大大降低 故k e l l e r 1 6 1 杨志吲1 7 以液体的抗拉强度作为其空化临界压强来定义了空化数 盯 p e v 一 i 4 盯 一 2 p v 式中 尸为液体抗拉强度 空化初生时的空化数为初生空化数 用符号矾表示 由于实际工程应用中 初生空化数的离散度较大 通常采用消失空化数 来描述空化的产生 即在流 场中出现初生空化以后 进一步降低压强或提高流速使流场中出现比较严重的空 化状态 然后逐步提高压强或降低速度 空化区的范围逐渐缩小 至某一空化数 时 在压力最低点附近间歇性空泡趋于消失 与此对应的空化数称为消失空化数 一5 一 o o o o o o o o o 仇 k 幺 t 皎 l 蛙褥距膏馕 浙江大学硕士学位论文 初生空化数和消失空化数的定义式分别为 铲鬻和咿箭 1 5 式中 只 另分别为空化初生和消失时的绝对压力值 v 1 d 为空化初生和消 失时的流速 实验表明 一般情况下初生空化数与消失空化数存在关系o i p 时 q 为张应力 如果考虑到剪切造成主应力的差异 如 l k 一 和 2 r r 情况 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 q p 寺 n i 1 2 4 勺2 二 1 广 0 2 一p i i t l 一 1 2 4 2 1 1 3 二 o 3 一p 一 2 1 一 当i 1 l 1 2 4 2 尸时 最大主应力q 成为张应力 流体不能自动平 上 均它的应力 流体将可能发生空化 具体推导过程见附录a b a i r 矛t l w i r i e r 4 3 首次提出了此理论 称之为主应力空化标准 p r i n c i p a ln o r m a l s t r e s sc a v i t a t i o nc r i t e r i o n 即当流体中最大主应力变为张应力时 空化现象产生 1 4 课题研究内容 本文针对对剪切空化现象主要开展了以下研究内容 1 流体中的含气量是影响剪切空化的重要因素 准确测量流体中的含气 量是研究含气量对剪切空化影响的重要内容 含气量的测定是本论文的重要研 究内容之一 论文中利用一种基于容积法测量气体溶解度的新型精密活塞式装 置 在一定温度和压力范围内 针对空气在二甲基硅油 5 0 0 c s t 2 0 c s t 以及 液压油进行了含气量测量 获取本生溶解度与压力和温度的依赖关系式 2 利用改进后的新型可调压可视化c o u e t t e 流变仪 针对二甲基硅油 5 0 0 c s t 开展剪切空化实验 获取空化初生时 临界剪切应力与环境压力的 对应关系 并结合含气量的测量结果 分析含气量对剪切空化现象的影响 获 取饱和比与剪切空化p e c l e t 数 毛系数及空化指数间的关系 3 开展不同间隙下的剪切空化对比实验 分析实验现象的差异 并针对 造成实验结果差异的原因进行进一步讨论分析 4 对非牛顿流体 粘度和法向应力是影响剪切空化现象的重要因素 文 中利用可精密控温的旋转型流变仪 针对一种非牛顿流体聚二甲基硅氧烷 p d m s 进行了流变测量实验 具体开展了p d m s 的分子量 松弛时间测量 及确定 粘温关系和法向应力的拟合等内容 浙江大学硕士学位论文 第二章空气在硅油和液压油中的溶解度测量 2 1引言 含气量是流体内部存在微观缺陷的重要因素 确立实验液体的含气量与环 境压力及温度的关系 通过含气量来衡量流体内部微观缺陷的程度是较为有效 的方法之一 确定流体中的含气量也是分析剪切空泡流及油膜破裂 尤其是研 究含气量对剪切空化影响的基础 二甲基硅油为典型的聚合物 由于具有优异的物理和化学性能 因而应用 广泛 国产3 2 抗磨液压油广泛应用于航空及船舶液压系统 而现有文献中 仅有一个大气压和2 5 鲥 2 0 c s t 二甲基硅油的溶解度数据 对于应用较广的 5 0 0 c s t 二甲基硅油 没有溶解度数据的相关报道 对于液压油 仅能获得国 外t e l l u s l 2 号液压油在2 5 铘寸的溶解度 无国产3 2 抗磨液压油的溶解度报 道 本章通过一种新研制的空气溶解度测量装置 对硅油 5 0 0 c s t 和2 0 c s t 及3 2 液压油在一定温度和压力范围内进行了空气溶解度的测量 2 2 实验装置组成及特点 液体中含气量的测量方法有许多种 4 7 1 4 引 早期的测量方法往往采用水面 法 但该方法是把掺气后的液面高度与未掺气时的液面高度相比 换算出液体 中的含气量 由于掺气后液面强烈地随机波动 很难准确判定其平均位置 许 多人用同同位素 射线 来测量含气量 但它只能被用来测定沿射线的平均含 气量 且有放射性污染 其他测量方法如容积法 薄膜法和色谱分析法等 也 存在不同程度的缺陷 本章利用的是一种新研制测量装置 原理图见图2 1 如图2 1 缸体和活塞将实验液体和空气密闭在一个腔室内 空气与实验液 体充分接触 连接管路把精密压力变送器与活塞连接起来 活塞上方安装有排 气阀 压力变送器可实时地显示密闭腔内的压力 固定螺母被固定在缸体的上 端面 固定螺母中心安装有丝杆 丝杆的下端通过固定螺栓和止挡固定在活塞 上面的凹孔内 在密封圈摩擦力的作用下 活塞不会转动 丝杆可以旋转 丝 杆的旋转推动活塞上下移动 对密闭腔内实验液体与活塞间的空气压力进行调 解 整个测量装置放置在恒温水浴内 通过恒温水浴控制缸筒及实验液体的温 度 恒温水浴的温度调节范围为室温 3 6 3k 温度控制精度为 o lk 压力 变送器的测量范围为绝对压力0 一5 0 0 k p a 测量精度为0 0 5 工作温度为 2 3 3 k 3 9 3k 整个实验装置如图2 2 所示 一1 2 一 m 江大学ml 位皓丘 穆 喜l3 一 懿i遂瑟j 1 向 u 一 l 魏 铲 i 骚 i 1h i1 2 1 1 3 矧2l 气体济解度删甘装置原理嘲 图2 2 宴螗设备实物幽 本实验装置的特点如f 1 测量活摩位移和缸筒内径 可以精确计量缸体内腔的容税 根据精密压 力变送器的读数变化 r u 判断气液柑州是否达到平衡态 2 测量平衡态时气体的容积和压力 可得到气体溶质析出或溶解的星 一1 3 浙江大学硕七学位论文 3 通过调节活塞的位置 可方便地控制气体溶质所占容腔的体积 实现气 相压力的调整 且不存在取样问题 2 3 溶解度测量原理及方法 1 测量原理 空气中氮气的含量远高于氧气 二者分子量都与空气分子量较为接近 而 且诸多工程问题中不单独考虑各种气体成分的溶解度 因此可近似的认为空气 中的主要气体成分是均匀地溶解到硅油中的 气体在液体中的溶解度主要依赖于温度和气相分压 一般认为 当压力低于 4 个大气压 温度高于2 7 3 k 时 可认为空气服从理想气体定律 当气液相间由 一个平衡态转变到另一个平衡态后 测量变化前后两个平衡态间的状态参数 根 据气体状态方程 可算出液体溶解 或析出 气体的量 气体状态方程为 p v z r 丁 2 一1 式中 刀为气体的摩尔数 t o o l p 为气体的绝对压强 p a y 为气体容积 m 3 r 8 3 1 4 j m o l k 为气体普适常数 丁为绝对温度 k 对于真实气体 可 考虑引入压缩因子z z 焉 2 2 垅 f 在高温低压条件下 空气接近理想气体 可近似取z 1 恒温下 相对于 气体体积变化而言 液体可视为不可压缩 活塞由平衡态i 变化到平衡态i i 时 气体溶质溶解或析出的量为 血 盟一盟 2 3 尺7 jr 两平衡态下的压力和温度由传感器测出 两平衡态下气体容积可由实验装置 的实测尺寸以及注入缸体液体的容积计算得到 2 平衡态的判定 溶解度测量时 需要确定某一温度和压力下 气相与液相间达到相平衡时的 状态 气液系统从一个平衡状态转变到另一个平衡状态 液体上方空气将增加或 减少 实验由恒温水浴控制在设定的温度 需要将一个平衡态调节到另一个平衡 态时 转动丝杆 移动活塞在缸体内的位置 通过改变液面上方空气的容积 实 现压力调节功能 对于二甲基硅油 5 0 0 c s t 这种低粘度流体 当缸体内的压力 调到新的目标压力时 将活塞保持在该位置 并反复摇晃液体 可使空气与硅油 间在较短的时间内达到相平衡 过程中液体溶解或析出空气 进而压力降低或升 高 这时须再次调节丝杆 将压力调至目标值 反复重复上述操作多次 直至气 相压力在2 至4 小时内的变化值小于压力测量系统的分辨率0 1k p a 时 即可视 气相与液相间达到一个新的平衡态 一1 4 浙江大学硕士学位论文 3 本生溶解度 随聚合程度不同 二甲基硅油的分子量差异较大 如采用摩尔分数表示浓度 对于一定的溶质 在小分子量硅油溶剂中为稀溶液时 在大分子量硅油溶剂中不 一定能视为稀溶液 因此先考虑使用本生 b u n s e n 系数来表示硅油溶解气体的能 力 本生系数的定义为 瓯 子 2 4 j r 式中 圪表示气相分压即实验中的空气总压 为1 0 1 3 k p a 下 气体在液相中溶 解达到饱和时 溶解的气体换算到标准状态 温度2 7 3 1 6 k 压力1 0 1 3k p a 下的容积 阼为实验温度下纯溶剂的容积 现有文献中对与本生系数相关的溶解度并无特别的说明 容易引起误解 因 而 我们定义一个本生溶解度万和无量纲压力p p 万表示一定压力范围内 气体在液体中的溶解达到饱和状态时 溶解气体的量换算到标准状态下的容积与 测量温度下纯溶剂容积之比 如果溶解气体的容积与平衡分压呈正比 采用本生 溶解度表示溶液中气体的浓度 则本生溶解度与无量纲压力的关系为 万 皖 p p o 2 5 式中 p 为绝对压力 p 0 为1 0 1 3 k p a 4 绝对溶解度的获得 通过在固定温度和一定压力范围内测量多种平衡态 可获得一系列本生数的 吉圭且 左里 a s 最一磊 疋 疋一8 2 瓯一l 瓯一皖一1 2 6 进而可以获得下列各值 羔即 羔圹 址t 万a 6 i q p 2 7 式中 p p 为疗个平衡态的气相压力 如果实验获得的上述各值近似 相等 即式 2 7 中所计算的各个值与压力无关 且通过式 2 6 和 2 7 可得下式 业 业 生一 2 8 p l 0以一0 p 2 一p l 7 则通过式 2 8 即可计算出不同压力下气体在液体中的绝对含气量 由于二甲基硅 油的蒸气压极低 4 9 1 因此实验中考虑气相压力时可忽略硅油的蒸汽压 5 温度变化对容积的影响 温度变化会导致实验液体及缸体容积发生变化 考虑液体体积膨胀 缸体及 活塞轴向尺寸的线膨胀 利用图2 1 中所示参数 可推导出液体上方空间容积 圪 丁 与温度的关系式为 一1 5 一 浙江大学硕七学位论文 圪 d2 三d 0 2 1 一圳2 1 丸 丁一刎 一 1 九2 丁一巧o 三 一x 丁 一 l 乃o r 一弓1 y 二 式中 参考温度巧o 2 9 8 1 6 k 为实验装置尺寸测量的环境温度 乃l 2 9 3 1 6 k 为实验液体容积测量的环境温度 d 9 8 m m 为巧 时缸筒内径 丸l 1 0 x1 0 6k 一 为缸筒材料的线性膨胀系数 h o 1 6 2 7 4 m m 为巧 时缸筒 顶端面到底面的深度 五 1 7 6 x1 0 巧k 一 为活塞材料的线性膨胀系数 l o 4 4 4 m m 为巧 时活塞的高度 v o 2 5 0 m l 为巧l 时实验液体的容积 乃 9 5 x 1 0 4 k 为实验用硅油的体积膨胀系数 5 8 0 0 m m 3 为连接管 路及压力变送器的初始容积 将各参数值代入上式并整理得 圪 丁 9 5 4 2 9 6x 10 寸t 0 9 9 7 0 2 2 o 0 0 0 8 4 6 t 1 18 0 9 一工 丁 2 一l o 一 0 0 0 0 9 5 t 0 7 2 1 5 v o 5 8 0 0 在温度r 下 测量出相应平衡态所对应的缸筒顶端面到活塞上端面的深度 x r 即可通过上式计算匕 丁 单位为m m 3 对于一定质量的二甲基硅油 3 5 3 2 k 时的容积约为2 9 3 2 k 时容积的1 0 7 5 6 倍 对于缸筒 计算3 5 3 2 k 时的 总容积约为2 9 3 2 k 时总容积的1 0 0 1 8 倍 因此实验中可忽略温度变化对缸筒容 积的影响 但必须考虑温度变化对液体容积的影响 6 实验过程 以二甲基硅油的空气溶解度测量实验为例 说明整个实验过程 首先利用容 量瓶 2 5 0 m l 2 0 在2 0 研量取硅油2 5 0 m l 倒入实验缸体内 在排气阀敞开 的情况下安装活塞 调整到适当位置后关闭排气阀 将缸体放入已控温的恒温水 浴槽中 并不断调整活塞位置最终使压力变送器读数稳定在1 0 1 3k p a 在保证 此温度 压力下溶解达到平衡时 利用深度尺测量并记录活塞位置 然后移动活 塞至某一目标压力 然后通过不断摇晃缸体 促使液体快速达到平衡态 溶解平 衡后 再次测量并记录活塞位置 之后即可调至下一目标压力 并重复以上步骤 直至获得所有目标压力下的测量值 2 4 实验结果与分析 2 4 1 压力与本生溶解度 表2 1 是实验温度为2 9 3 2 k 和3 5 3 2 k 时 在各个压力下达到平衡态时所 一1 6 一 浙江大学硕士学位论文 获得的本生溶解度值 以气相压力p 为横坐标 本生溶解度万为纵坐标建立坐标 系 利用表2 1 中的数据作图 结果如图2 4 所示 表2 1 不同气相压力下空气在5 0 0 c s t 二甲基硅油内的本生溶解度 l 一im p k p a 1 1 12 0 13 0 04 0 01 0 1 31 4 0 01 8 0 02 1 0 02 5 0 02 9 0 03 2 5 0 万 2 9 3 2k 1 0 0 2 20 0 4 00 0 6 00 0 8 00 2 0 00 2 7 20 3 4 80 4 0 2 0 4 7 80 5 5 80 6 3 3 8 3 5 3 2 k 0 0 1 9 0 0 3 10 0 4 90 0 6 7o 1 7 20 2 3 9 0 3 1 00 3 5 70 4 2 10 4 8 50 5 4 5 由图2 4 可以看出 对5 0 0 c s t 二甲基硅油 采用本生溶解度表示空气在硅 油中的浓度时 浓度与气相压力的实验数据呈现较好的线性关系 由表2 1 数据 求得的8 0 p o 的值在0 0 0 1 9 1 5 0 0 0 2 0 5 7 k p a 之间 近似相等 取8 0 p 为上述 各值的平均值 计算得磊1 2 0 c o 2 0 图中获得拟合公式 万 0 2 p p o p o 1 0 1 3 k p a 2 1 1 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 压力p k p a 图2 4 气相压力与本生溶解度 另外图2 4 中 还绘出了3 5 3 2k 时的实验结果 气相压力与本生溶解度同 样近似成线性关系 且对应压力下本生溶解度值大于2 9 3 2k 时的值 8 0 1 种c 0 1 7 2 获得拟合公式 万 o 1 7 2 p p o p o 1 0 1 3 k p a 2 1 2 一1 7 7 6 5 4 3 2 1 0 o 0 0 0 0 0 0 0 吣瑙琏疑州将 浙江大学硕士学位论文 2 4 2 温度与本生溶解度 恒定压力下 气体在液体中的本生系数与温度之间的关系 通常符合指数关 系式 在温度变化范围不大的情况下 可采用两常数方程的形式表示 即本生系 数与温度间的关系为 9 l n 8 0 a b t 2 1 3 式中a 和b 为实验常数 保持压力为1 0 1 3 k p a 温度在2 9 3 k 一3 5 3 k 之间 每 间隔1 0 k 我们就测试一种5 0 0 c s t 二甲基硅油的平衡态 通过实验数据计算出 不同温度下的本生系数瓯 绘出本生系数与温度之间的关系曲线如图2 5 所示 用式 2 1 3 对数据进行拟合 得到a 2 4 7 6 b 2 5 0 8k 将式 2 1 3 代入式 2 5 空气在5 0 0 c s t 二甲基硅油中的本生溶解度与压力和温 度的关系可表示为 一2 4 7 6 2 5 0 8 万 p 7 p p o 2 1 4 式中 t 的单位为k 暗 籁 1 躐 j j l 祷 温度 k 图2 5 温度与本生系数 数均分子量1 5 8 4 0 2 4 3 摩尔分数溶解度 根据摩尔浓度的定义式 x a2 m 一 m 历鲥 m 耵1 聊鲥 m 爿 m 一 m 2 1 5 式中 m 酊 m 分别为溶液中硅油和空气的质量 m 盯 m 一分别为硅油和空气 的摩尔质量 而且 一1 8 一 浙江大学硕士学位论文 一m s i 丛 鉴 竺盟一 2 1 6 m p 月d 矽 p 月d 式中 风 r 为1 0 1 3 k p a 下 温度为丁时硅油的密度 为空气在硅油中达到 饱和状态时 溶解的空气换算到标准状态下的体积 p 们 1 2 9 k g m 3 为空气在 标准状态下的密度 考虑5 0 0 c s t 二甲基硅油的体积受到温度的影响 密度与温 度的关系为 以耻瓦 2 而丽p 而s i o 2 1 7 式中 p 舳 0 9 7 0 k g m 3 为2 9 3 2 k 时5 0 0 c s t 二甲基硅油的密度 于是空气摩尔 分数浓度与本生数的关系是 竺 竺竺竺2墅二堡 鬯 2 18 x