探究局部能量耗损现象介绍

图11.1　局部能量损失示意图

流体在流动过程中，由于管径的改变（或者流动方向的改变）而产生的能量损失称为局部水头损失。磁流变液从泡沫金属中流至剪切间隙的过程中，管径突然由很小的泡沫金属孔直径变为剪切间隙空间，如图11.1 所示，磁流变液在断面的流速分布急剧变化，同时还可能产生大量的旋涡，而且由于粘性的作用，漩涡中的部分能量将不断转化成热能耗散在流体中，进而使机械能减少。

为计算局部能量损失，定义相关参数如下：S1 为阻尼器工作缸内壁表面积，S2 为泡沫金属单个孔面积，ε 为泡沫金属的孔隙率，n 为孔数，Q 为单个孔内磁流变液流量，v2 和v1分别为上下两个截面的平均速度，A2 和A1 分别为上下两个截面的横截面积，P1 和P2 分别为上下两个截面的压降，μ0为真空磁导率，M 为磁化强度，H 为磁场强度，α 为动能修正系数，β 为动量修正系数，hj 为局部能量损失。

根据牛顿第二定律，磁流变液在泡沫金属中流动的运动方程为

由伯努利方程

得到

由式（11.2）和式（11.5）得到

并取α1=α2=1，β1=β2=1，则

①假设磁流变液中磁场均匀，M1=M2，H1=H2，则局部损失为(www.xing528.com)

②若磁流变液被线性磁化，即

则有

于是，磁流变液上升至高度h 处的局部水头损失为

总孔数：

从而得到总的局部水头损失为

取泡沫金属孔出口平面为基准面1，v1=0；活塞头所在平面为2，且活塞运动速度v2=10 mm/s，磁流变液初始磁导率χ=3.2；孔半径r=0.25 mm；磁流变液密度ρ=2 650 kg/m3，g=9.8 m/s2，磁场强度B=1.0 T，从而得到单孔磁流变液局部水头损失为

由式（11.8）可知，若磁流变液内部磁场均匀，局部损失大小取决于其流速，速度越大，局部损失越多，这与多孔介质中的Darcy 定律不谋而合：流体通过线性多孔介质中的能量损失与速度呈正比；而当磁流变液内部磁场分布不均匀时，由式（11.12）可以得到局部损失大小不仅与速度有关，还取决于磁场强度，磁场强度越大，局部损失越大。