Повышение эффективности автомобильного транспорта за счет использования гидродиодов в гидравлических системах с учетом кавитационных явлений

Введение. Одним из перспективных способов уменьшения динамических нагрузок при работе гидравлических кран-манипуляторных установок является использование гидродиодов. В гидравлических системах, работающих при высоких скоростях рабочей жидкости, в гидродиоде могут возникнуть кавитационные явления, которые сопровождаются повышенным шумом и вибрацией и могут привести к разрушению гидродиода, что недопустимо. В работе проведено сравнение результатов расчета течения жидкости в проточной части вихревого гидродиода с учетом кавитационных явлений и без учета кавитационных явлений с результатами исследовательских испытаний. Представлен анализ влияния кавитации на рабочие процессы в вихревом гидродиоде для кран-манипуляторных установок.
Материалы и методы. Для изучения рабочих процессов, происходящих в рабочей камере вихревого гидродиода, были созданы модели вычислительной гидродинамики (CFD) с использованием кода FLUENT CFD. Для моделирования течения жидкости в проточной части вихревого гидродиода использовался коммерческий CFD-код ANSYS FLUENT.
Результаты. В работе проведена верификация результатов численного эксперимента с результатами исследовательских испытаний, а также количественный и качественный анализ влияния кавитации на рабочие процессы вихревого гидродиода.
Обсуждение и заключение. Установлено, что значения давления и диодности при расчетах с учетом кавитации и без учета кавитации практически не отличаются, таким образом, влияние кавитации при числах Рейнолдса Re<30000 не оказывают существенного влияния на количественные значения параметров вихревого гидродиода и модуль расчета кавитации можно не использовать. Однако при более высоких значениях чисел Рейнолдса в рабочей полости вихревого гидродиода появляются кавитации, и расчетные значения параметров гидродиода без учета кавитации и с учетом кавитации существенно отличаются. Следовательно, при расчете высокоскоростных течений необходимо использовать модуль расчёта кавитации. Проведенный анализ влияния кавитации на рабочие процессы вихревого гидродиода показал, что при прямом направлении течение кавитация несущественно оказывает влияние на параметры гидродиода и место ее образования – верхнюю входную область тангенциальной камеры. При обратном направлении потока кавитации оказывают существенное влияние на картин течения жидкости в вихревом гидродиоде. Кавитация охватывает практически весь входной объем радиальной трубки и частично захватывает центральную часть вихревой камеры.

1. Коробкин В.А., Котлобай А.Я., Котлобай А.А., Тамело В.Ф. О перспективных направлениях создания гидравлических агрегатов приводов строительных и дорожных машин // Наука и техника. 2012. № 6. С. 71–76. (Белоруссия).

2. Лагерев А.В., Лагерев И.А. Проектирование и исследование приводных шарнирных соединений звеньев гидравлических манипуляционных систем мобильных транспортно-технологических машин // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2018. №1. С. 14–30. DOI: 10.22281/2413-9920-2018-04-01-14-30.

3. Подъемно-транспортное оборудование для обработки крупнотоннажных контейнеров: монография // Зуб И.В., Ежов Ю.Е., Стенин Н.Н. СПб.: ФГБОУ ВПО ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, 2021. 267 с.

4. Гринчар Н.Г., Шошин А.С., Чалова М.Ю. Сравнение безредукторного и редукторного гидроприводов машин транспортного строительства // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2022. № 2. С. 103–109. DOI: 10.22281/2413-9920-2022-08-02-103-109.

5. Юдин Р.В., Попиков П.И., Усков В.И., Платонов А.А., Попиков В.П., Канищев Д.А. Математическая модель рабочих процессов бесчокерного трелевочного захвата с энергосберегающим гидроприводом // Resour. Technol. 2022. № 1. С. 72–86. DOI: 10.15393/j2.art.2022.6023.

6. Гринчар Н.Г., Федасов Д.С., Чалова М.Ю. Расчетно-динамическая модель гидропривода рабочих органов щебнеочистительных машин // Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. № 2.

7. Вагин В.С., Курочкин А.И. Демпфирование динамических нагрузок передвижных проходческих подъемных установок с безредукторным высокомоментным гидроприводом // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2013. № 2 (42). C. 12–15.

8. Бадалин Д.С., Егоров И.С., Москвитин Е.А., Феденков В.В., Шаповалов А.Б. Перспективы применения распределительной аппаратуры 3-го поколения в гидроприводе УП ПТТ // Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. № 6. С. 88–96. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-6-88-96.

9. Ефремова К.Д., Пильгунов В.Н. Анализ эффективности дроссельного регулирования скорости в объемных гидроприводах // / Машиностроение и компьютерные технологии. 2019. № 2. С. 13–33. DOI: 10.24108/0219.0001455.

10. Цветков И.В., Кайгородов С.Ю., Павлюченко Е.А., Кужбанов А.К. Разработка и исследование вихревого гидродиода повышенной диодности для специальной техники военного назначения // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. 2021. № 5-6 (155–156). С. 131–142.

11. Кайгородов С.Ю. Модель рабочего процесса механизма подъема и опускания стрелы с дополнительным демпфером в виде гидродиода // Омский научный вестник. Серия Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2023. Т. 7, № 2. С. 52–57.

12. Varaha P. Sarvothaman, Shekhar R. Kulkarni, Janardhanraj Subburaj, Swetha L. Hariharan, Vija K. Velisoju, Pedro Castaño, Paolo Guida, Deoras M. Prabhudharwadkar, William L. Roberts Evaluating performance of vortex-diode based hydrodynamic cavitation device scale and pressure drop using coumarin dosimetry. Chemical Engineering Journal. 2024. V. 481. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148593.

13. Qi Liu, Xinyang Qi, Zuchao Zhu, Yongcao Gao, Guangwu Yang, Chuancang Li, Luo Sun Investigation of cavitation characteristics in an aircraft centrifugal fuel pump. 2024. Vol. 96. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2024.102521.

14. Хафизов Ф.Ш., Александров А.А., Сущев С.П., Абуталипова Е.М., Хафизов И.Ф. Моделирование и метод расчета кавитационно-вихревого аппарата // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2017. № 1. C. 78–91. DOI: 10.18698/1812-3368-2017-1-78-91.

15. Tsutsumi K., Watanabe S., Tsuda S., Yamaguchi T. Cavitation simulation of automotive torque converter using a homogeneous cavitation model // European Journal of Mechanics – B/Fluids. 2017. Vol. 61. No. 2. P. 263–270. DOI: 10.1016/j.euromechflu.2016.09.001

16. Zhang G., Zhang D., Ge M., Petkovšek M., Coutier-Delgosha O. Experimental investigation of three distinct mechanisms for the transition from sheet to cloud cavitation // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. Vol. 197. 123372. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123372

17. Gu Y., Zhang J., Yu S., Mou C., Li Z., He C., Wu D., Mou J., Ren Y. Unsteady numerical simulation method of hydrofoil surface cavitation // International Journal of Mechanical Sciences. 2022. Vol. 228. 107490. doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107490

18. Zhang S., Qian Z., Ji B. Estimation of cavitation erosion area in unsteady cavitating flows using a modified approach // Ocean Engineering. 2022. Vol. 262. 112229. doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.112229

19. Коптев А.В. Как разрешить 3D-уравнения Навье Стокса // Известия РГПУ им. А. И. Герцена. 2015. № 173. С.7–15.

20. Chen S., Li X.Finite volume element methods for a multi-dimensional fracture model. J. Comput. Appl. Math., 2022. 406, Article 114028

21. Walters D. K., Cokljat D. A. Three-Equation Eddy-Viscosity Model for Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulations of Transitional Flows II Journal of Fluids Engineering. 2008. Vol. 130. No. 12. pp. 28. 11.

22. Pandare A., Ranade V.V. Flow in vortex diodes // Chemical Engineering Research and Design. 2015. V. 102. P. 274–285.

23. Pavlyuchenko E.A., Grigoriev A.V., Kaigorodov S.Yu., Sokirko K.N. Aspects of the Numerical Simulation of High-Diode Vortex Hydrodiodes // Chemical and Petroleum Engineering. 2023. Vol. 59, no. 4. P. 347–352. DOI: 10.1007/s10556-023-01247-9

24. Kulkarni, A.A., Ranade, V.V., Rajeev, R. and Koganti, S.B. CFD simulation of flow in vortex diodes // AIChE J. 2008. V. 54: P. 1139–1152. https://doi.org/10.1002/aic.11439

25. Matsson, John E. An Introduction to Ansys Fluent 2023. Sdc Publications, 2023.

26. Yoder, G.L., Jr. Vortex Diode Analysis and Testing for Fluoride Salt-Colled High-Temperature Reactors / G.L. Yoder, Y. Elcassadgi, G. De Leon // UTBattelle, 2011. 40 p

27. Спиридонов Е.К., Хабарова Д.Ф. Расчетная модель и характеристики бесклапанного поршневого насоса одностороннего действия // Вестник ЮУр-ГУ. Серия: Машиностроение. 2014. № 4. С. 13–22.