多级毛细小孔流动损失的有限元分析

　　气密性检测是保证产品质量和生产安全的重要工序,传统的气密性检测方法有浸水法、涂抹法等,随着检测要求的提高,传统检测方法在检测精度与效率方面已不能满足生产需求.目前,利用气体流动特性进行气密性检测成为较流行的检测方法.根据检测原理不同又可以分为直压式、差压式和流量式等.流量式气密性检测仪通过检测充气完毕后层流小孔两端压差来检测泄漏量,原理如图1所示.

　　首先向基准容器与被测容器充入压力相同的压缩空气,如被测腔有漏,必然造成容器内气体质量流失,腔内压力降低,气体在压差作用下由基准容器经层流小孔流向被测容器,通过检测层流小孔两端压差可以推导出被测容器泄漏量.

　　层流小孔作为流量式气密性检测仪的核心元件,其主要作用是保持流体的层流状态并在微流量状态下在小孔两端产生能够满足检测精度需要的稳定差压信号,层流小孔的设计及加工精度对仪器的检测精度、量程有重要影响.单一细长毛细孔作为层流小孔的理想模型,其两端差压与流量特性满足以下关系:

　　当流体在毛细管内保持层流状态时,小孔两端差压与流量呈线性关系[1-2].仪器的精度与毛细孔长度成正比,与毛细孔半径的4次方成反比.因此要检测微流量,得到理想的差压信号,必须增大毛细管长度,减小毛细管半径.这种理想细长孔模型简单,但在实际机械加工中难以实现.现代机械加工中的微细孔一般采用激光打孔技术,激光的能量会随着孔的深度而衰减,毛细孔越长,激光的衰减越明显,加工完成后孔的锥度越大,精度越低.即使比较易于激光穿透的黄铜,小孔的制作仍难以满足加工精度要求.因此,作者针对存在的问题提出了串联多级毛细孔的设计思想.

　　1　串联多级毛细孔的设计

　　串联多级毛细小孔以单个易于实现的毛细孔为基础,依据检测需要经串联组合而成.图2为作者分析所用5个串联小孔实体模型,小孔直径d为0·1 mm,单个小孔长度l为5 mm,孔连接腔直径D为3 mm,孔连接腔长度L为4 mm.孔连接腔的设计目的是为减小加工及安装误差引起的两相邻小孔的不同心对流体流动带来的影响.小孔连接腔的设计以短小、易于加工、不影响压力分布为原则.

　　串联多级毛细孔的设计解决了小孔的加工问题,而且可以通过改变串联小孔的个数改变小孔的有效长度,实现仪器量程与精度的可调性.串联毛细孔虽然易于加工,但在理论上尚没有成熟的数学模型.串联小孔管路中存在几何尺寸的突变,这会使流体流动受到强烈扰动而难以保持层流.对于流体的管内流动,任何几何形状变化或转向的地方都将引起局部损失.在这些局部区域,流动极为复杂,边界层发生分离,产生漩涡,随后流体质点掺杂,流场调整,在此过程中一部分流体动能和压能被消耗掉.由于气体流动的复杂性,探讨串联毛细孔的特性成为新的工作难点.作者使用ALGOR大型通用工程仿真软件对串联层流小孔进行分析,得到了串联小孔两端差压与流量的关系及小孔的速度场与压力场分布特性.