（机械电子工程专业论文）阀芯运动过程液压滑阀内部流场的cfd计算.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 阀芯运动过程液压滑阀内部流场的c f d 计算 摘要 液压滑阀是液压控制系统的重要基础元件，其作用是控制液压系统中 流体流动的方向和流量。滑阀内的流场特性直接影响阀的性能，特别是滑 阀阀芯在运动过程中的流动特性，对滑阀的工作性能有很大的影响。 论文以液压滑阀为研究对象，采用c f d 方法，分别对滑阀在进口节流 和出口节流两种工况下，阀芯静止和阀芯运动两种状态下，不同的阀芯运 动速度下，滑阀内的流场分布进行了仿真研究。具体内容有： 1 采用p r o e 软件，按照滑阀的实际结构和参数，结合计算数学模型 的可行性，建立了滑阀的三维几何模型，并运用前处理器软件g a m b i t 进行 网格划分。 2 对滑阀阀芯在不同的运动状态下，内部的流场进行了可视化的分析。 阀芯运动状态的瞬态仿真采用动网格技术，利用u d f 功能，定义了阀芯在 开启和闭合两种情况下的不同阀芯速度。比较了滑阀在不同的运动状态下， 滑阀内的流线图，速度分布，湍动能分布和压力分布及变化趋势，对定性分 析滑阀内能量损失、噪声以及对滑阀的结构和流道的设计有实际的指导意 义。 3 在仿真结果的基础上，对进口节流式滑阀和出口节流式滑阀的在不 同的运动状态下，不同的阀芯运动速度下，阀芯壁面上的压力分布、阀芯 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 所受的稳态液动力和瞬态液动力、阀杆上受到的径向不平衡力以及流量系 数进行了分析。研究发现，阀芯受到的瞬态液动力在小开口度，大流量， 高的阀芯运动速度下，值较大。另外，由于滑阀流道和阀体的不对称性， 阀杆上受到的径向不平衡力，也不能简单的用平衡槽平衡掉。所以在对液 压滑阀进行设计计算时，必须考虑他们的影响。研究工作为滑阀的设计和 性能优化提供了依据。 本课题是国家自然科学基金“液压阀液动力补偿方法、计算公式的完善 及应用研究”中的研究内容，基金项目批准号：5 0 6 7 5 1 4 7 。 关键词：液压滑阀，c f d ，瞬态液动力，径向力，流量系数 太原理工大学硕士研究生学位论文 c f ds t u d yf o rt h ef l o wf 儿di n s i d et h e h y d r a u l i cs p o o l v a l v ec o n s i d e r 斟go f t h em o v e m e n 陌o fv a l v ee l e m e n t a bs t r a c t t h eh y d r a u l i cs p o o lv a l v ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h e h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l ，w h o s ef u n c t i o ni st oc o n t r o l f l o w i n g d i r e c t i o na n d d i s c h a r g e o ff l u i di n h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m ，w h o s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n n e rf l o wf i e l dd i r e c t l yi n f l u e n t st h ev a l v e sp e r f o r m a n c e ， e s p e c i a l l yt h em o v i n gv a l v ee l e m e n t i nt h e p a p e r , t h ec i r c u l a ro p e n i n gs p o o lv a l v ei si n v e s t i g a t e d ，a p p l y i n gc f d m e t h o d ，r e s p e c t i v e l yi nt h et w oc o n d i t i o n so fm e t e r i n g i ns p o o lv a l v ea n dt h e m e t e r i n g o u ts p o o lv a l v e ，b o t ht h es t a t i cv a l v ee l e m e n ta n dt h em o v i n gv a l v e e l e m e n t ，f o rd i f f e r e n tv e l o c i t y , t h eh y d r a u l i co i lf l o wi n s i d et h es p o o lv a l v ei s s i m u l a t e d t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t e n t s ： 1 ，t h e3 一dg e o m e t r i cm o d e l so fs p o o lv a l v ea r eb u i l tb yu t i l i z i n g s o f t w a r e p r o e ，a c c o r d i n gt oi t sa c t u a ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sa sw e l la sf e a s i b i l i t yo f c o m p u t a t i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l m o d e l sa r et r a n s f o r m e da n di m p o r t e di n t o g a m b i ts o f t w a r et og e n e r a t em e s h 2 ，t h ef l o wf i e l di n s i d et h es p o o lv a l v ei sv i s u a l i z i n ga n a l y s i sa td i f f e r e n t i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o n d i t i o n s w h e nt h es p o o lv a l v ee l e m e n ti sm o v i n g ，t h eh y d r a u l i co i lf l o wi s s i m u l a t e db ys e t t i n gt h ed y n a m i cm e s h t h r o u g ht h eu s e rd e f i n ef u n c t i o n ；t h e v e l o c i t yo ft h ev a l v ee l e m e n ti sd e f i n e d c o m p a r i n gt h ep a t hl i n e ，v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h es p o o lv a l v e ， i to f f e r st h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n gs p o o lv a l v ew i t hh i g he f f i c i e n c y , l o we n e r g yl o s sa n dl o wn o i s e 3 ，o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，f o rd i f f e r e n tm o v i n gc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n t v e l o c i t y , t h ec h a r a c t e r i s t i ci nt h em e t e r i n g i ns p o o lv a l v ea n dm e t e r i n g o u ts p o o l v a l v ei sr e s e a r c h e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s i e n tf l o wf o r c e i sb i ge n o u g ha n dm u s tb ec o n s i d e r e dw h e nt h ev a l v ei si ns m a l lt h r o t t l ew i t h l a r g ef l o wa n dh i g hm o v i n gs p e e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cf o r c e a c to nt h ev a l v e - p o l e ，t h e r ei sa l la d d i t i o n a lr a d i a lf o r c et h a tc a u s e sv a l v e e l e m e n tl o c k u pe x i s t e d ，a n dt h i sf o r c ei sn o tb en o t i c e dd u r i n gt h ep r e v i o u s d e s i g n t h i sf o r c ei sd i f f i c u l tb a l a n c e dw i t ho n l ys t r u c t u r em e t h o d t h es t u d yf o r t h ev a l v eh a so f f e r e dt h es i g n i f i c a n tr e f e r e n c et od e s i g n i n gt h ev a l v ea n d o p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c e t h ep r o j e c ti st h es t u d yc o n t e n to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n a i m p r o v i n ga n da p p l i c a t i o ns t u d yo nf l o wf o r c e sc o m p e n s a t i n g m e t h o d sa n dc a l c u l a t i n gf o r m u l ao ft h eh y d r a u l i cv a l v e f o u n d a t i o np r o g r a m n u m b e r ：5 0 6 7 51 4 7 i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs p o o lv a l v e ，c f d ，t r a n s i e n tf l o wf o r e ，r a d i a lf o r c e ， f l o wc o e f f i c i e n t v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：氲盏日期：迎足：笸! 笸 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：盘蝗煎日期：避笸：笸 导师签名：主窒垂日期：边= 垂笸 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 液压流体力学的发展状况 自然界中空气、水、油液等易于流动的物质被成为流体。在力的作用下，流体的流 动可引起能量的传递、转换和物质的传送，因此利用流体的性能与我们的生活和工作密 切相关。流体力学以流体( 包括液体和气体) 为研究对象，研究流体流动的基本规律； 研究流体绕过某种物体或流过某种通道时的速度分布、压力分布、能量损失及流体同固 体之间的相互作用力。其一系列理论可直接应用于流体传动、机械、仪器和热能等多方 面的工程设计计算中。比如：发动机内气体的流动以及车辆外形的减阻设计，输油管路 的铺设，供水系统的设计，及至航海、航空和航天等领域内动力系统和外形的设计。 流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些过程都受质量守恒、 动量守恒和能量守恒等基本物理规律的支配。流体力学问题的解就是对描述流体运动动 力学特性的三大守恒定律( 质量守恒律、动量守恒律和能量守恒律) 的微分方程在特定 边界条件下的解。经典流体动力学主要成就之一就是给出了三大守恒定律的严格数学形 式。从1 8 世纪的理想流体动力学中的不考虑粘性影响的流体动力学基本方程欧拉方程， 到1 9 世纪的粘性流体动力学问题的纳维一斯托克斯方程、雷诺平均的纳维一斯托克斯 方程和以后研究建立的可压缩流体动力学的基本方程组。到此，经典流体动力学理论框 架就已经建立了。在2 0 世纪初，对雷诺平均的纳维一斯托克斯的简化及封闭问题，湍 流模型等问题的深入研究，对流动稳定性及转捩问题的研究，对经典流体动力学的理论 的做了重要补充。 流体力学原理在液压技术中的应用，派生出了一个分支液压流体力学。液压流 体力学的起源可以追溯到一百多年前流体静力学基本原理在水压机上的应用。液压流体 力学是讲述流体力学原理在液压技术中应用的一门技术基础学科。它是应用流体力学的 一个新分支。流体力学原理在液压技术中的应用，必须深入研究作为工作介质的液压流 太原理工大学硕士研究生学位论文 体在液压元件和液压系统中的运动规律。液压流体力学是研究流体的整体机械运动规 律，以及运用这些规律进行液压技术工程计算的科学。 随着液压技术的发展，对提供动力、传递动力和控制动力的各种元件和系统的性能 要求越来越高，机械也越来越复杂，油液的能量转换或传递过程中，不可避免地出现一 些问题，比如液压技术中的噪声、气蚀、阀的振动和响应等问题，这样就需要我们对液 压流体在元件和系统中流动的动力学规律做详细的研究。特别是近些年来，液压技术向 高速、高压、大功率化发展，更给液压流体力学带来一些新的研究领域。同时，随着液 压技术的发展，对流体力学上的专业知识的需求也在不断扩大，如边界层理论、流体波 动理论、流体润滑理论、多相流理论等流体力学基本理论都不断应用在液压技术上解决 了实际问题。 1 2 计算流体力学及其在液压技术中的作用 随着科学技术的进步和经济的发展，许多领域( 特别是石油化工、航空等) 对高性能 的液压元件需求越来越迫切。为了适应社会的需求，需要进行试制和大量试验参数测量 等工作，为此需要耗费大量的时间和资金。显然，为了设计出高性能的流体机械，传统 的设计方法己经不能满足需要，必须采用现代设计理论和方法。这就要求设计者必须详 细掌握液压元件性能和内部流动状况，从而给液压元件内部流动理论和试验研究提出了 新的课题。 研究流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种。对泵、阀、管道等内 部流动进行实验测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而 使实验研究受到了很大的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的功能，与理论分 析及实验研究一起，相辅相成，逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成了新的学科一 一计算流体动力学( 简称c f d ，来源于英文的c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) ，是流体力 学、数值数学和计算机科学相结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘学科。它以电 子计算机为工具，应用各种离散化的数值计算方法，对流体力学的各类问题进行数值实 验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题，并揭示新的物理现象，开拓新的研 究方向。c f d 的出现，不仅丰富了流体研究的手段，而且由于其强大的数值运算能力， 可以解算用解析方法不能求解的方程，解决了某些理论流体力学无法解决的问题。计算 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 流体力学自2 0 世纪6 0 年代中期开始形成并迅速发展起来，到目前为止，已广泛的应用 于航空、航天、核试验、自动设计、天气预报、海洋学和水利等许多工程实际中。 近年来，随着高速、大容量、低价格计算机的相继出现，以及c f d 方法的深入研 究，其可靠性、准确性、计算效率都得到了很大的提高，展示了采用c f d 方法，用计 算机代替试验装置和“计算试验的现实前景。c f d 方法具有初步性能预测、内部流动 预测、数值试验、流动诊断等作用。比如，在设计元件时，一般的过程为设计、样机性 能试验、制造。如果采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸 设计阶段预测元件的性能和内部流动产生的旋涡、气穴、二次流、边界层分离、尾流、 叶片颤振等不良现象，力求将可能发生故障的隐患消灭在图纸设计阶段。 综上所述，人们借助计算机对液压元件内部的流动进行数值模拟成为可能，减少了 实验测试次数，节省了大量的资金和时间，以达到降低成本、缩短研制周期的目的。并 能解决某些由于实验技术所限，难以进行测量的问题。而且数值模拟可提供丰富的流场 信息，为设计者设计和改进液压元件提供依据。因此，c f d 方法是现在和未来研制液压 元件及其他流体机械必不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流 体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最 佳的设计，可以说c f d 方法为液压元件设计提供了新的途径。 1 3c f d 在液压阀中的应用 在液压系统中，用各种液压阀，来控制液流的流动方向、压力、流量等，从而控制 整个液压系统的全部性能，如系统的工作压力，执行机构的动作程序，工作部件的运动 速度、方向，以及变换频率等等。液压阀的工作性能对整个液压系统有直接的影响，液 压阀对液压系统的控制，主要是通过控制其内部流体的流动来实现的。液体在各种阀口 ( 如压力阀阀口、节流阀阀口、方向阀阀口) 和复杂流道内流动时的特性对组成流体系统 的元件性能以及对整个流体传动及控制系统的性能有着至关重要的影响。所以，对组成 液压技术中的各种复杂流道流场进行数值模拟，并定性分析流场( 速度、流线、流动的 分离与再附壁，旋涡的产生与消失等) 与噪声、能量损失、元件性能的关系等就显得十 分必要，流场的分析计算过程是一个大量数学逆运算的过程，尽管人们推导了许多公式， 试图解析求解，但由于需要求解的方程大都是非线性偏微分方程，因而很难用解析的方 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 法进行求解甚至根本无法求解。由于这些复杂流道中流动的边界条件比较复杂，特别是 液压阀阀口处的流动，边界条件就更为复杂，从理论上要想获得解析解，基本不可能。 一般来说在复杂流道内的流动问题主要是流体力学问题，流体力学问题通常是用偏微分 方程来描述的，其中连续性方程和n a v i e r - s t r o k c s 方程控制着几乎所有的流动问题，从 内流问题到外流问题，从无粘理想流动到可压缩有粘流动等问题，除极少数简单例子外， 这些都是需要数值求解的，于是就出现了c f d 在液压阀中的应用。 1 3 1 应用c f d 软件对液压阀内流场的可视化分析 近年来，应用c f d 方法，对液压阀的内部流场进行仿真计算和可视化分析，成为 液压技术领域新的研究热点，研究工作对液压阀的结构参数设计和流道的优化设计具有 重要的实际意义。 国内，早在1 9 9 8 年，王林翔，赵长春【1 1 等人，就应用数值分析的方法，针对滑阀阀 道内的流体流动，采用湍流模型的七一f t 两方程模型和有限容积数值方法，计算了流动 区域内各节点上的压力p ，速度，湍流脉动动能k 和湍动耗散率g ，对滑阀的结构设 计和各几何参数的确定提供了一定的参考依据。接着在2 0 0 0 年，王林翔，章明川等人i z l 又对阀芯上存在的液动力与流道布置之间的关系进行了研究，结果发现，通过改变流道 的布置，可以明显减少液动力，而不显著增加阀的压降，从而大幅度的改善了阀的性能。 燕山大学的高殿荣，王益群 3 1 利用近年发展起来的有限元法，对液压锥阀内流场的 速度矢量图和流线图谱进行了仿真，对研究锥阀阀口处的噪声和能量损失具有一定的指 导意义。2 0 0 4 年，高殿荣，侯桂庆等人，在机械工程学报上发表的“进口节流式滑阀内 流场的有限元计算与p i v 研究 【4 】一文中，以进口节流式滑阀为研究对象，应用有限元 法( f e m ) 和粒子图像测速技术( p ) 对三种不同开口度下进口节流滑阀，沿进口流 道、节流口、阀腔以及出口流道的流场进行了数值计算和试验可视化研究，数值计算和 p i v 试验表明，滑阀内部有三个部位产生涡旋( 如图1 1 所示) 并且滑阀开度对滑阀内 部流场结构有影响。 浙江大学针对液压阀的内部流场也做了很多的研究，其中，b a om i n ，f ux i n 等人 口l 利用c f d 方法，对水压滑阀内部流场的压力损失进行了分析，通过对比不同质量流量， 不同的阀腔结构下，水压滑阀内部的压力损失。分析了流量，几何结构和压力损失之间 的关系。结果表明通过改变流量和几何结构可以明显的降低压力损失。冀宏，傅新，杨 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 华勇于2 0 0 2 年在机械工程学报上发表的“内流道形状对溢流阀气穴噪声影响的研究，【6 1 一文中，从流场控制的角度，研究了溢流阀内流道结构对气穴及气穴噪声的影响，此外， 对两种溢流阀主阀流道结构( 如图1 2 所示) 进行了噪声测试和对比分析。结果表明， 具有环形槽的主阀芯结构能有效抑制气穴和气穴噪声。另外2 0 0 4 年，冀宏 7 1 等人发表的 “非全周开口滑阀压力分布测量研究 一文中，研制出阀套移动式液压阀压力分布及噪 声测量试验装置，通过阀套的平移和转动依次测量一定阀口开度下节流槽及阀腔壁面的 压力分布。首次对节流槽中的压力分布进行了测量，并与流场仿真进行比较，两者吻合 良好，分析了压力分布变化规律。 图1 - 1 稳态时，阀1 ：2 开度x - - 0 7 5 0 c m 时的流线图 f i g 1 1t h ep i c t u r eo fp a t hl i n ef o rs t e a d yc o n d i t i o nw h e nx - - 0 7 5 0 c m t 幻蠢重培构b 图1 2 两种不同的结构 f i g 1 - 2t w ok i n d so fd i f f e r e n ts a u c n l i r e 高红，傅新等人对球阀阀口的气穴流场进行了数值模拟和试验研列8 】【9 1 ，结果表明， 阀的横向振动使得气穴现象周期性的发生，且气穴现象使得球阀的噪声级增大。 西南交通大学的王国志，王艳珍删等人对水压滑阀的流动特征进行了可视化的分 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 析，对水压滑阀的流动状态，以及阀芯受力情况进行了数值计算。袁冰，于兰英等人 m 2 0 0 6 年发表的“液压滑阀阀芯旋转现象的c f d 解析 一文中，针对液压滑阀阀芯旋 转现象( 如图1 3 所示) ，通过c f d 数值解析，获得了压力和速度特性，分析了造成滑 阀旋转的主要原因。 图1 - 3 液压滑阀阀芯旋转在不同的位置 f i g 1 - 3d i f f e r e n tl o c a t i o nw h e ns p o o lv a l v er o t a t e d 刘晓红等人2 0 0 6 年在机械工程学报上发表的“液压滑阀径向间隙温度场的c f d 研 究”【1 2 】一文，针对滑阀使用过程中因节流发热而发生的阀心卡死现象，建立了计算流体 动力学二维模型( 如图1 4 所示) 。对不同工作压力、不同径向间隙、以及不同开口的 间隙内温度分布进行了解析。得出工作压力、径向间隙和开口大小对径向间隙内温度分 布的影响。 图1 4 简化的二维模型 f i g 1 - 4s i m p a 6 e d2 dm o d e l 吉林大学的付文智等人n 3 1 ，用有限元方法建立锥阀的数学模型，得到了锥阀工作过 程中的有限元数值解，以及锥阀工作过程中流体在锥阀内部的流函数曲线分布。2 0 0 7 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 年发表1 4 1 的“滑阀式换向阀三维流体速度场的数值模拟 ，阐述滑阀式换向阀的工作特 点及工作过程，得到了换向阀工作过程中的流场流体压力和流体速度的数值解，研究了 换向阀工作过程中，阀内部的流体速度沿圆周方向的分布规律，并为研究滑阀换向的其 他特性参数( 稳态液动力) 奠定了基础。 1 3 2c f d 技术在水压阀中的应用 近年来随着能源问题的日益紧张和环保意识的日益增强，越来越多的科研专注在水 压阀上面，以水为工作介质来代替液压油成为了新的热点，国内华中科技大学在这方面 做了很多的研究：贺小峰等人2 0 0 0 年发表的“海、淡水液压阀的研究 1 1 5 l , 针对海、淡 水介质的特点，总结了研制海、淡水液压阀的关键技术问题，分析了其气蚀的特点，并 提出相应的预防措施，并且对适合于海、淡水介质特性的液压阀的结构型式和工程材料 进行了探讨。2 0 0 5 年，他们继续深入研究，结合水介质的特性及典型先导式油压溢流阀 的结构，分析了先导式水压溢流阀存在的关键技术难题，在此基础上设计了一种新型的 先导式水压溢流阀。在结构上主要采取了如下措施：在溢流阀入口设置固定节流孔和二 级节流主阀口；阀芯上加组合密封件以减少泄露和拉丝侵蚀；先导阀芯尾端设置阻尼腔 以抑制振动、噪声，提高先导阀的工作稳定性1 1 6 】。2 0 0 5 年，该校的l i uy m s h u i ，w u z h e n g j i a n g 等人在杭州举行的i c f p 2 0 0 5 发表的文献 1 7 1 ，研究了在水压阀中，背压对 气穴现象的影响，并介绍了水压阀与油压阀的不同之处，以及阀杆长度l 与阀芯直径d 的比值i d 对气穴系数k 的影响。 同时，浙江大学方面也在进行着纯水液压阀技术的研究，谢伟，周华等人培】【1 9 1 分析 了纯水液压阀中节流气穴和气蚀现象产生的机理，介绍了纯水节流阀口和气蚀试验模型 的设计，实验对比研究了异型纯水节流阀口和常用的锥形节流阀口( 如图1 5 所示) 的 抗气蚀性能，研究了两种不同结构节流阀口的流量压差特性，得出了其相应的临界 气穴系数。实验结果表明：采用异型原则设计的纯水节流阀口较常用的锥形节流阀口流 量压差特性曲线的斜率小，即刚度大，临界气穴系数小，抗气蚀能力强，阀口两端 能够承受更大的压差。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 、 o ) 肇形一口 b ) 镌琮欹翻口 图1 - 5 纯水节流周口结构筒图 f i g 1 - 5s t r u c t u r es c h e m eo f w a t e ro r i f i c o 罗压敏，王有荣，刘恒龙等人对水压滑阀内部的流场进行了c f d 解析 2 0 1 ，利用c f d 软件s t a r - c d 对水压滑阀流场进行了数值解析，进行了静态和动态的仿真，但是仅仅分 析了其中的压力分布和速度分布，并未进行更深入的研究。 1 - 3 3 应用c f d 技术对液压阀进行的受力分析 借助于c f d 软件的仿真结果，对液压阀阀芯的受力情况进行分析计算是仿真的另 外一个重要的研究部分，目前国内也做过很多这方面的研究： 曹秉刚等人在1 9 9 5 年发表的文献2 1 】【2 2 1 中，针对一般内流式锥阀流体力分析中选用 一个控制体积的不足，选取了阀腔上、下流两个控制体积，运用二次动量变化的概念， 得到新的内流式锥阀液动力理论方程。并且设计了专门的锥阀阀芯锥面压强分布与液动 力的实验装置，测量了内流式锥阀阀芯压强分布，测定并分析了液动力的变化规律。在 文献四】中，汤志勇，曹秉刚，史维祥等人又提出了针对锥阀和圆柱滑阀的稳态液动力的 一种补偿方法一阀套运动法，并在实验上得到证明。 冀宏，傅新，杨华勇于2 0 0 3 发表的文献【2 4 】中，针对液压滑阀的基本结构形式之一 的非全周开口滑阀，采用计算流体动力学( c f d ) 方法，对两种典型节流槽形式( u 形槽 和v 形槽) ( 如图1 - 6 所示) 的滑阀进行了三维流场仿真分析研究，获得了不同流动方 向下，阀口全行程压力流量和液动力特性，并与试验测量结果进行了比较，两者吻合良 好；并且研究发现在特定的阀口开度范围内，液动力会使阀口趋于开大。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 巧矽 图i - 6 阀的试验及流场计算模型 f i g 1 - 6c a l c u l a t i o nm o d e lo fv a l v ef o rf l o wf i e l da n dt e s t 周盛，徐兵，杨华勇于2 0 0 6 年在发表的文献【2 5 】中，提出了一种对高速开关阀的液 动力进行补偿阻尼套压力补偿法( 如图1 7 所示) 。该方法能够对阀心复合液动力 的大小和方向进行调节。 图1 7 外流式锥阀稳态液动力补偿原理图 i 阀体2 阀芯3 阻尼套4 阻尼套实物图 f i g 1 - 7c o m p e n s a t i o ns c h e m a t i c sf o rs t e a d yf l o wf o r c e 上述关于液压阀液动力的研究，主要是局限于阀芯静止时，阀芯受到的稳态液动力， 但是液压阀在工作过程中，大部分的情况是处于运动状态的，所以，对于液压阀阀芯所 受到的瞬态液动力也必须进行考虑。文献 2 6 】，曾对影响瞬态液动力的一些因素进行了 归纳总结，但是只是理论上的推导，目前国内针对滑阀的动态仿真，以及瞬态液动力研 究还尚少。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 本课题组在应用c f d 方法研究液压阀内部的流场方面，也做了一系列的研究 2 7 2 s 1 2 9 】阄 5 1 】，并且实现了锥阀的动态仿真( 如图1 8 所示) ，分析了阀芯运动时，锥阀 内部的流场分布，研究了阀芯运动过程中阀芯受到的液动力，以及流量系数与流量、阀 口开度的定量关系。对锥阀的结构优化，设计都起n t 重要的指导意义。 1 3 4 国外的主要研究内容 图1 - 8 阀芯开启位置示意图 f i g 1 8m o t i o ns k e t c ho ft h ep o p p e tv a l v e sb e r n a d r ，s u s a n r e s i g a 等研究锥阀阀腔内部的气蚀现射划，论文中进行了 阀内部流场的数值模拟和分析，对阀进行了二维的稳态流动的研究。研究了阀内部的单 相流动和两相流动即气蚀现象；z d z i s l a wm a z u r a ，g u s t a v ou r q u i z a a 等人【3 l 】用流线坐标 法对液压锥阀的流场进行了数值模拟和试验研究，详细给出了锥阀流场的压力分布和液 动力的作用，分析了锥阀和球形阀的内部流场。 国外学者r o g e ry a n g , p h d 3 2 1 利用c a d 软件p r ( ) ，矾g l n e e r 进行几何建模，利用 c f d 软件a n s y s f l o t r a n 对液压阀内的流场进行模拟两者相结合。主要是对滑阀内 部的流场进行模拟和液动力进行计算。为了减少液动力的影响，对液压元件相应的表面 面积上的压力和速度分别进行了积分。文中假设阀内部的流场是稳定状态，只考虑了作 用在阀上的稳态液动力，忽略了瞬态液动力的影响。滑阀的c a d 模型和c f d 计算模型 见图1 - 9 和图1 1 0 。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 9滑阀的ca d 模型图1 - 1 0c f d 模型计算区域 f i g i - 9s p o o lv a l v ec a dm o d e l f i g 1 1 0c f dm o d e lo f c o m p u t e rd o m a i n p r i y a t o s hb a r m a n 等3 3 1 对三维的滑阀模型进行了仿真研究( 如图1 1 1 所示) ，指出 滑阀在流量、压差很大时，阀内部的流动区域可能形成汽化，当气泡破裂时对阀体和阀 芯表面形成气蚀。使用s t a r - 3 d 仿真软件，进行了两相流动的仿真，文中给出阀内流 场的压力分布，速度分布和气体体积分布图。对优化滑阀的阀腔形状，阻止气蚀的发生 有一定的指导意义。 图1 - 1 1 滑阀的3 - 1 3 模型 f i g 1 一iit h eb a s e l i n e3 - 1 3c f dm o d e l t e t 幽喇i 湖使用涡量法对锥阀和滑阀的流场进行了数值模拟。分别对滑阀的 二维流动和锥阀的三维轴对称流动进行了模拟。对滑阀的研究是在阀重复地开启和闭合 且射流流入阀腔时的流场进行了数值模拟。对锥阀的研究是给定锥阀的边界条件是正弦 变化的流量，研究了流量的变化频率和幅值大小随作用在阀上的力的影响和阀内流动状 态的影响。 1 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 la m i r a n t e 等人【3 5 】以三位四通换向阀( 如图1 1 2 所示) 为研究对象，对作用在滑阀上 的驱动力进行了试验和仿真。试验装置允许在外部控制滑阀的位置，并且能够测量液动 力的大小。试验过程中，滑阀安装在一个封闭的液压回路中，通过改变流量以及压降来 对其进行测试。结果表明，在滑阀开启的初始阶段，液动力使阀芯趋于开启。接着用仿 真分析验证了此结论，并且进行了理论分析。接着，在文献【3 6 】中针对同一个滑阀，对 阀芯开启过程中的液动力进行了详细的分析。首先对开口过程中的三个不同阶段液动力 的大小、方向，以及峰值出现的位置通过实验加以测量；其次，在理论上对测量所得结 果进行了定性的分析；最后利用c f d 商业软件f l u e n t 6 1 ，采用周期性边界，压力差值 作为初始条件，对滑阀内流场进行了内流、外流两种情况的仿真，给出了速度场分布， 对前面两种结论做了验证。对克服液动力、准确地控制液压系统提出了重要依据。 图l - 1 2 三位四通阀的截面图 f i g 1 1 2p r o p o r t i o n a lv a l v es e c t i o n a lv i e w s ha y a s h i ，t ha y a s e 等人口刀研究了先导阀回路中的不稳定和混乱现象。在初 始状态，由于初始值远大于临界值，以及发生了自激振动，回路在这种情况下变得不稳 定了。对混乱区进行研究，通过对比发现，混乱曲线符合f e i g e n b a u m 曲线。 j a y a n t as a n y a l 等人【3 羽用一个瞬态的，二维轴对称模型，在气泡流和湍流搅拌器的 条件下，基于稳态流动的监测方法，然后c t 检测到气体停顿的正面图。数字化仿真使 用f l u e n t 软件，采用双流体双欧拉模型，结果表明在实验数据和仿真结果之间达成 了良好的定量的统一，并且结果表明，用简单的二维轴对称模型仿真可以用于工程上的 整体流动模型的计算，和气泡的分布。 q c h e r t ，b s t o f f e l 等人1 3 9 针对全周开口滑阀，首先在理论上分析了气蚀现象发生 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的机理，以及它的危害性。然后，建立了3 d 流场模型，利用c f d 商业软件f l u e n t 分别对模型进行了湍流模拟，气一液两相模拟。给出了在两种模拟中的速度分布图，压 力分布图。最后通过仿真验证了气穴通常发生在节流口高速低压处( 如图1 1 3 所示) ， 也验证了湍流流动的基本流场特征( 例如漩涡) ，与理论知识相一致。 l 竺竺竺= = = 竺竺竺型：趟i 图1 1 1 气体体积分布云图 f i g 1 1 1c o n t o u r so f v a p o rv o l u m ef r a c t i o n m a t e vd u l a r ，r u d o l fb a c h e r t 等人 4 0 1 在试验上评价商用c f d 软件f l u e n t 的性能，并 用f l u e n t 去模拟充分发展的气穴流。试验所用的是两个简单的水翼艇，代表了一些3 维 气穴流的特征。用p i v 以及l e t 技术，来判断平均速度，瞬时速度以及气泡形状。同 时，我们还得到了水翼艇表面的静压分布。在数值仿真的时候，利用气穴模型来仿真气 穴的产生以及蒸发过程。结果表明，仿真结果与试验结果吻合，气相体积分布以及气泡 的大小和速度场一致。水翼艇表面的静压分布也能准确预测。数值仿真的脱落频率也和 试验数据完全吻合。 q i n g h u iy u a n 和p e r r yy l i 在文献【4 1 】中以单级电磁阀为研究对象，对不同的模型进 行了试验和c f d 分析研究，结果表明，阻尼长度和瞬态液动力影响阀的灵敏度。 s h i g e r uo s h i m a ，t i m ol e i n o 等人蚴对水压锥阀进行了试验研究。无论是水压阀 还是油压阀，气穴都是一种常见的现象。文章以半剖锥阀为模型，对水压锥阀的特性进 行了试验研究。在试验过程中，针对气穴发生的过程，初始条件，以及气穴对流量特性 和压力分布的影响进行了研究。并且与油压阀进行了对比。 综上所述，c f d 方法被越来越多的被应用于液压阀的研究中。可视化的速度矢量图、 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 压力分布图、能量损失图能够让人们更直观的观察液压阀内部的流场分布。但是，由上 述文献分析发现，大多数的研究都是在阀芯静止时研究的，尤其是国内的研究。但是在 实际的液压阀工作过程中，阀芯大多数的情况都是处于运动状态的。并且国内外对三维 的液压滑阀阀芯运动时，内部的流场分布以及阀芯受力的分析尚少。 1 4 课题的主要研究内容 1 4 1 选题的意义和目的 2 0 世纪是流体传动与控制技术逐步走向成熟的时代，作为流体力学的分支液压 流体力学也得到了不断的发展。随着现代科学技术的飞速发展，它不仅仅是可以充当一 种传动方式，更多的是作为一种控制手段，成为连接现代微电子和大功率控制对象之间 的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段和环节。 液压系统中，用各种液压阀，来控制油流的流动方向、压力、流量等，从而控制整 个液压系统的全部性能，如系统的工作压力，执行机构的动作程序，工作部件的运动速 度、方向，以及变换频率等。液压阀的工作性能对整个液压系统有直接的影响。 液压阀对液压系统的控制，是通过控制内部流体的流动来实现的，是以流体在阀中 流动的运动学和动力学规律为基础的，所以应当深入研究阀内流体的流动状况以及流体 与阀的固体部件之间的动力学联系，以提高阀的性能。其中液压滑阀是流体传动与控制 元件中重要的基础元件，得到广泛的应用。滑阀在工作过程中，由于其节流口的存在和 流道的复杂性，流体在内部的流动情况非常复杂，对滑阀的各种性能如：流量特性，能 量利用率，流体噪声，控制性能等都有很大的影响。 纵观液压控制元件的研究发展历程，长期以来，阀内流道设计方面并没有充分考虑 其内部的流动现象对其性能的影响，或将其内部流动过度简化。实质上，液压回路元件 的精确设计和节能降噪控制等共性问题必须深入研究元件内部流动现象和流体力学问 题。流体介质在具有各种复杂流道组成的密闭腔中流动会出现多种复杂的流态，如气穴、 漩涡、脉动流、喷流等，这些流态正是液压噪声的根本原因。从流场的微观角度深入研 究流道形状、流场流态和噪声之间的关系，进而通过对流道形状的优化对流场施加一定 的控制、或利用、或消除某种流态，以达到降低振动噪声的目的是根本性的研究方法。 c f d 技术的快速发展和流场显示技术的进步为深入研究液压元件内部复杂流场提供了有 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 力手段。近年来随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用c f d 方法，对液压 滑阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，进而预测或者分析滑阀的工作性能，噪声 产生的原因，对阀腔内流道形状进行优化，成为液压技术领域新的研究热点。 液压滑阀广泛的应用在液压系统中，因此本文选取滑阀为研究对象。当液流流经液 压阀阀腔和阀口时，由于液流速度发生变化，将有液动力作用在阀芯上。液压控制阀的 操纵力必须能够克服阀的各种阻力，它包括惯性力、摩擦力、弹簧力和液动力等，其中 液动力所占的比例最大。液动力不仅会影响阀的操纵力，而且还可能引起阀的自激振动， 影响整个系统的稳定性和可靠性，它是设计、分析液压控制阀及液压系统的重要因素之 一。采用各种流场数值计算方法，对阀内流场进行数值计算来准确计算液动力，它可以 用于改进阀的过流结构设计，对进行阀的液动力的补偿，减小噪声和气蚀现象的发生， 提供理论依据。另外液压卡紧力也是液压系统中必须考虑的一个重要因素，通过流场压 力分析，同样可以计算出液压卡紧力的大小。 1 4 2 本课题的主要研究内容和应用方法 本文以液压滑阀为研究对象，分别研究了滑阀在进口节流和出口节流两种工况下， 滑阀内的流场分布。通过对液压阀流场数值计算的文献综述可以看出，有限体积