（机械设计及理论专业论文）高水基安全阀流场的cfd仿真.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 高水基安全阀流场的c f d 仿真 摘要 安全阀是液压传动与控制系统中的重要元件，它维护着整个液压系统 的安全，阀内的流场特性直接影响阀的性能。本文利用计算流体动力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件f l u e n t 对液压支架安全阀的流场 进行了数值模拟与分析计算。 本文按照实际使用中的安全阀的参数，采用a u t o c a d 和u g 软件，建立 了安全阀流场的二维和三维几何模型。运用f l u e n t 前处理软件g a m b i t 进 行了网格的划分。在f l u e n t 软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟， 并对二维模型进行了动态模拟。 在开口度相同、边界条件不同和开口度不同、边界条件相同时对流场 进行模拟，找出影响安全阀流场压力和速度分布的因素。过流断面面积突 变处，存在回流现象，从而会出现漩涡区。在稳仿真过程中，边界条件是 固定的，改变边界条件重新进行稳态仿真，得到最低压强为负值，求出在 节流口处压强最低为一0 9 2 m p a ，计算出在节流口处压强最低时的空化系数 为一0 0 2 8 ，会产生气穴。下面采用空化模型进行仿真，得到汽化水的体积 分数为0 8 9 2 ，证明确实产生了气穴。通过压力和速度矢量图可以看到在阀 内出现了漩涡和气穴，从而将产生噪声和振动，严重影响阀的工作性能和 效率，对阀的流道进行改进，把面积直角突变改为平滑圆角过渡，通过仿 真发现截流口处的最低压力明显提高，漩涡的数量和强度均降低。把改进 后模型的仿真结果与原模型的仿真结果进行比较，为阀的优化设计提供参 考依据。 阀芯的运动速度为0 0 0 1 m s ，得到了阀芯在运动过程中的压力和速度 太原理工大学骚研究生学位论文 矢量分布图，阀芯在闭合的过程中液体的流动比开启过程和静态时的流动 曲线图要复杂得多，漩涡的数量和强度都大，由于漩涡的出现，速度就在 各个方向上都有分量。 对阀芯受到的稳态液动力和总的作用力进行了理论分析和模拟计算， 把仿真结果与理论结果相比较得n - 开口度一定时，压力越大，总作用力 和稳态液动力越大；压力一定时，开口度越大，总作用力和稳态液动力越 小。与理论相一致，而且计算值总是大予仿真值。所进行的研究工作对安 全阀的设计和性能优化提供了依据。 关键字：安全阀，流场，数值模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 c f ds i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l dl ns a f e t y v a l v ew l t _ hh i g h f 盯e r a bs t r a c t t h es a f e t yv a l v ei st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n a n dc o n t r o l s y s t e m ，w h i c h m a i n t e n a n c et h e h y d r a u l i cs 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 y t h e m o v m g v a l v e c o n e a p p l y i n g f l u e n ts o f t w a r eo f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t h ef l o wf i e l do ft h es a f e t yv a l v ei s s i m u l a t e d a n da n a l y z e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt oa c t u a ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s ，t h e2 da n d3 dg e o m e t r i c a l m o d e lo fs a f e t yv a l v ei sb u i l tb ya p p l y i n ga u t o c a da n du gs o f tw a r e s 。t h e m o d e li st r a n s f o r m e da n di m p o r t e di n t og a m b i ts o f t w a r e ，w h i c hi st h e p r e p r o c e s s o ro ff l u e n t t og e n e r a t em e s h b o t ht h et w oa n dt h r e e d i m e n s i o n f l o wf i e l do ft h ev a l v ea r es i m u l a t e di nf l u e n t w i t ht h es a m eo p e n i n ga n dd if f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h es a m e b o u n d a r yc o n d i t i o na n dd i f f e r e n to p e n i n gt h ef l o wf l i e di ss i m u l a t e d ，i n f l u e n c i n g f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na r e f o u n d e d w h e ns e c t i o n a la r e as u d d e nc h a n g e d ，t h ep h e n o m e n o no fb a c kf l o w w i l l sa p p e a r i n g ，t h ee d d yc u r r e n ta r e ai sg e n e r a t e di nt h e s ep l a c e s a f t e rt h e s t e a d ys t a t ea g a i ns i m u l a t i n gi sc a r r i e do u ta g a i nb yc h a n g i n gt h eb o u n d a r y ， f o u n dt h a tt h eb o t t o m i n t e n s i t yo fp r e s s u r e i sd e f e a t e dt o - 0 9 2 m p aa n d c a v i t a t i o n sm o d u l u si s 一0 0 2 8 ，g e t t i n ga l o n gw i t ht h ei n t e n s i t yo fp r e s s u r ei s l o w e s ti no r i f i c et om e l to u t ，m a yp o s s i b l yp r o d u c et h eg a sc a v ei np r o c e s s o p e n i n ga n db e i n gc l o s e dd o w ni ns p 0 0 1 f o l l o w i n ga d o p tt h ec a v i t a t i o n sm o d e l t ob ei np r o g r e s ss i m u l a t i n g ，t h ev o l u m ef r a c t i o ng e t t i n gv a p o r i z a t i o nw a t e ri s 0 8 9 2 ，p r o d u c e st h eg a sc a v ei n d e e d t h eb e h a v i o ra n de f f i c i e n c yi sa f f e c t e db y l l l 太原理工大学硕士研冗生学位论文 t h es a f e t yv a l v et h eg a sc a v ea n de d d y , s oc a r r yo u ta p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n to n t h ev a l v er u n n e rb yc h a n g i n gt r a n s f o r m e di n t ot r a n s i t i o nl e v e la n ds m o o t hs i n c e t h eg e n t l ec a v eo fw h i r l p o o lh a sa p p e a r e da n dt h eq u a n t i t ya n di n t e n s i t y d i s c o v e r i n gaw h i r l p o o lb ys i m u l a t i n gr e d u c ew i t h o u te x c e p t i o no b v i o u s l y a t t h es a m e t i m e ，b yr e d u c i n gt h ei n l e tp r e s s u r ec a nm i n i m u mi n t e n s i t yo fp r e s s u r e v a l u ee n h a n c e sa n dc a v i t a t i o n sm o d u l u s o p t i m i z e dd e s i g n sr e f e r e n c eb a s i si s p r o v i d e db yc o m p a r i n gp l a i nm o d e l a n di m p r o v e dm o d e l w h e nt h ev a l v e sp a c ei so 0 01m s ，i th a sb e e ng o tt h es p o o lp r e s s u r ea n d v e l o c i t yv e c t o ri nt h em o v i n gp r o c e s s t h es p o o lf l o w si nt h ep r o c e s so fc l o s u r e i sm o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h el i q u i df l o wi nt h eo p e n i n gp r o c e s sa n ds t a t i cs t a t e ， s ot h eq u a n t i t ya n di n t e n s i t yo fe d d ya r ea l lb i g g e r b e c a u s eo ft h ew h i r l p o o l ， s p e e da l lh a sac o m p o n e n tf i g h ta w a y o ne a c hd i r e c t i o n t h et o t a lf o r c ea n dt h es t a t i cf l u i df o r c ea r ec a r d e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h ec o m p u t a t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t a n dt h et h e o r yr e s u l ta r e c o m p a r e d ，g a i n e dt h a tw h e nt h eo p e n i n gf i x e d ，t h et o t a lf o r c ea n dt h es t a t i cf l u i d f o r c ea r ei n c r e a s ew i t ht h ep r e s s u r ei n c r e a s i n g ，a n dw h e nt h ep r e s s u r ef i x e d ，t h e t o t a lf o r c ea n dt h es t a t i cf l u i df o r c ea r er e d u c e dw i t ht h eo p e n i n gi n c r e a s i n g c a r r i e so nt h er e s e a r c hw o r kh a sp r o v i d e dt h eb a s i sf o rl a t e rt ot h ev a l v ed e s i g n a n dt h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：s a f e t yv a l v e ，f l o wf i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 芦明尸明 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：丞盘：骜 日期：塑& ! ：鲨 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：二三幽卤日期：苎翌墨：叁! 篷 导师签名：日期： 口2 ，。多口 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 液压支架概述 第一章绪论 1 1 1 煤炭开采技术的国内外现状 综合机械化采煤方法是高效化，技术化，安全化的新型采煤方法，是煤矿开采技术 现代化的重要标志，二十世纪八十年代末以来，世界主要产煤国家高产高效综采技术迅 速发展，特别是美国、澳大利亚、德国、英国和南非发展较快，综采工作面高产高效记 录不断被刷新，综采装备新技术层出不穷，1 9 9 3 年，美国综采工作面平均班产量达到 3 0 7 6 吨洗精煤，1 9 9 4 年1 1 月阿科煤炭公司的西麇鹿矿创造了日产量4 6 万吨的世界记 录，当月产量5 0 余万吨，英国和德国是世界上综采技术发展较早也是综采装备最先进 的国家。到1 9 7 0 年英国已装备7 0 0 多个综采工作面，德国己装备4 0 0 多个综采工作面， 其综采程度均达到9 0 以上。但由于受其自然煤层赋存条件的限制，其高产高效工作面 的记录不如美国和澳大利亚，但世界著名的采煤机械公司主要集中在德国和英国，德国 d b t 和英国j o y 公司是世界著名的采煤机械制造公司。高产高效综采技术的核心是工作 面综采设备，近年来，工作面三大配套设备液压支架、采煤机和刮板运输机，在设 计方法和结构上都有了重大发展，主要是提高设备生产能力和可靠性，改进设备的操作 性能1 。 随着我国煤炭工业的迅速发展，煤矿采煤机械化设备也在迅速的发展，采煤机械化 设备的推广和使用，大幅度地提高了劳动生产率和生产量，改善了矿工安全生产条件， 且使煤炭的回采率大幅度提高( 原始的开采技术回采率仅4 0 - 5 0 ) 。我国自1 9 7 3 年开 始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收和改进提高的过程，到 目前己形成了较完整的设计、研发和制造体系。尤其是液压支架的技术发展很快，从7 0 年代基本上依靠进口，到8 0 年代发展到自行设计、自行制造并逐步取代进口、从支撑 式支架到放顶煤支架又到支撑掩护式、从中厚煤层的铺网分层开采到薄煤层支架及一次 全采大采高支架、从轻放支架到1 0 0 0 吨支架。2 0 0 5 年1 0 月2 5 日在北京召开的第十一 届中国国际煤炭采矿技术交流及设备博览会上，郑州煤矿机械集团有限责任公司生产的 太原理工大学硕士研究生学位论文 z y 9 4 0 0 2 8 6 2 支撑掩护式支架已超过发达国家技术水平。目前生产的大采高、重型液压 支架已经可以做到高度6 3 米，支撑阻力达1 3 0 0 0 k n ，这在世界也属于先进水平b 1 。 1 。1 2 液压支架的结构组成和工作原理 液压支架的使用是煤矿井下采煤由人工劳动到机械化生产的根本性转变，它作为煤 矿井下安全支护的主要设备，是综采工作面支护设备，已经成为煤矿安全生产的重要环 节，约占综采面设备总投资的7 0 ，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间， 推移工作面采运设备口引。 液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系一般分为三大类，即支撑式、掩护式和 支撑掩护式。图卜1 为一种掩护式支架的简图： 图1 1 液压支架简图 f i g 1 一it h es c h e m eo fh y d r a u l i cs u p p o r t 根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为四个部分： 1 、承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁。其主要功能是承载和传递 顶板和垮落岩石的载荷。 2 、液压油缸，包括立柱和各种千斤项。其主要功能是实现支架的各种动作，产生 液压动力。 3 、控制元件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、 电控元件。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 、辅助元件，如推移装置、护帮( 或挑梁) 装置、伸缩梁( 或插板) 装置、活动 侧护板防倒防滑装置连接件喷雾装置等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必 需的装置2 引。 液压支架的工作原理是借助压力液体在一定结构的管路和控制元件组成的系统中 流动，来实现能量的传递和转化从而达到支撑、升降、移动、推溜和过载保护。液压支 架不仅为采煤提供一定的工作空间，而且当遇到冒项和顶板来压等突发事故时，还可以 起到保护工作人员和支架下面采煤机及运输机的安全作用p 1 。 1 2 液压支架用安全阀 1 2 1 安全阀的用途与工作原理 阀是液压支架中重要的控制元件，通过阀来完成立柱和油缸的各种动作，是液压支 架的心脏。安全阀是液压支架三大控制调节元件之一，是煤矿液压支架的控制和过载保 护元件，用来控制液压支架实际工作阻力并使其不超过允许值，使支架具有可缩性和恒 阻性，其性能好坏直接影响支架的强度和安全系数，影响支架支护能力的发挥，影响支 j j 架负载能力与自重比，影响矿工的人身安全，影响支架技术经济指标d 。 图卜2 为立柱安全阀在液压支架系统中的简化回路h 1 。在液压支架升起的过程中， 乳化液经换向阀、液控单向阀到立柱的下腔使支架升起，当支架需要下降时，乳化液通 过液控口的压力作用使液控单向阀反向打开，立柱下腔的乳化液流回油箱，实现液压支 架的下降。在井下采煤过程中，由于采煤工艺引起的地质条件的变化，会使岩石层顶板 作用在支架顶梁上的压力突然增大，并超过支架的工作阻力，由于液控单向阀的闭锁功 能，这时立柱下腔的压力会迅速升高，当压力超过安全阀的调定压力时，高压乳化液顶 开安全阀的阀芯，下腔的乳化液经安全阀溢出、卸载，起到保护支架系统安全的作用。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 l 油源2 换向阀3 安全阀4 液控单向阀 5 立柱6 压力计7 顶杆8 底座 图1 - 2 安全阀在液压支架系统中的简化回路 f i g 1 2t h ea b b r e v i a t e dl o o po f h y d r a u l i cs u p p o r ts y s t e mo f s a f e t yv a l v e 1 2 2 安全阀的工况分析及性能要求 液压支架安全阀的工况是由回采工作面特殊的工作条件决定的。由于矿山压力、顶 板性质、回采工艺、工作面推进速度和支护形式等因素的综合影响，使得工作面顶板的 下沉量和下沉速度在很大范围内变化。在非生产过程中，安全阀在长时间内偶尔开启， 溢流量约为0 0 0 0 1 - 0 0 0 2 l m i n 。如果采煤循环每隔2 - 3 小时重复一次，液压支架在初 支撑力下工作，则安全阀一般不开启。在生产过程中，顶板下沉速度较快，此时，安全 阀的溢流量也是有限的，一般为0 0 0 3 - 0 1 l m i n 。然而由于采煤和移架过程中，可能破 坏项板岩层的平衡条件，使得顶板发生急剧下沉，其下降速度可达1 0 0 m m s ，此时流经 安全阀的流量也将达到几百升每分钟，安全阀的溢流量将按5 - 6 个数量级的幅度急剧变 化，而且在小流量时属于静态工况，较大流量是为瞬变工况。 安全阀在额定流量范围内开启溢流时，要求开启压力与溢流压力的最大值不高于上 限，如图卜3 所示”1 ，以确保各承载元件不过载破坏要求安全阀的溢流压力和闭合压力 的最小值不低于下限，以确保各承载元件尽最大可能支护顶板，发挥支架的最佳支护能 力6 1 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图卜3 安全阀的开启、溢流、关闭特性及压力范围 f i g 1 3t h ec h a r a c t e ro fo p e n i n g oo v e r f l o w i n g , c l o s i n ga n dp r e s s u r er a n g eo fs a f e t yv a l v e 因此，安全阀在液压支架系统中应具有良好的静态性能( 静态溢闭特性和密封性) 、 动态性能( 稳定性、动态压力超调、开启时间和稳压时间) 、足够的通液能力和流量范 围。若安全阀在负载增加时不能及时打开，系统压力迅速增加，会压坏结构件，焊缝和 母材开裂，严重的将出现穿顶钻底、涨缸、立柱活柱压弯若封闭压力不稳定，使支架下 降，二不能正常生产若发生封不住现象就会更危险，支架升不起来，严重的发生“趴窝 现象。 4 。按照中华人民共和国煤炭行业标准一液压支架用阀中之规定，安全阀小流量启、 溢、闭压力波动值不得超过公称压力的1 0 ，启、溢压力最大值不得超过公称压力的1 1 0 ， 最小值不得低于公称压力的9 0 ，关闭压力值不应低于公称压力的9 0 。而公称流量小 于1 6 l m i n 的阀，启、溢压力最大值不得超过公称压力的11 5 ；公称流量大于1 6 l m i n 和小于3 2 l r a i n 的阀，启、溢压力最大值不得超过公称压力的1 2 0 ；公称流量大于 3 2 l m i n 和小于 0 0 l m i n 的阀，启、溢压力不得超过公称压力的1 2 5 ；公称流量大于 1 0 0 l m i n 而的阀，启、溢压力不得超过公称压力的百分数可由设计确定p 1 。 除了上述规定，支架安全阀还应满足以下其它要求： 1 、由于使用的液压介质为高水基乳化液，要求安全阀具有很好的抗锈蚀能力。 2 、考虑到井下煤尘很多，对安全阀应当进行抗污染能力的试验。 3 、对于庞大而复杂的综采设备来讲，不仅要求支架安全阀性能好，密封可靠，还 要求经久耐用。 4 、影响安全阀寿命的不仅是溢流总量，还受初撑一加载至溢流卸载循环次数 太原理工大学硕士研究生学位论文 的影响，因此安全阀至少要满足次循环寿命的要求1 。 1 2 3 国内外支架安全阀的发展现状 随着液压支架技术的快速发展，支架的初撑力和支架的支撑高度不断提高，支架 立柱的直径和行程越来越大，与此同时对安全阀的流量要求也越来越高。德国公司生产 的液压支架立柱直径己达4 5 0 r a m ，所相配的安全阀流量己达1 0 0 0 1 2 0 0 l m i n ，德国d a m s 公司生产的支架用安全阀最大流量己达1 0 0 0l m i n ，国内目前生产的液压支架高度是世 界上最高的，达6 3 米，双伸缩立柱直径达4 0 0 m m ，而国内液压支架应用较广泛的较大流 量安全阀b s y f 的流量只有1 0 0l m i n ，最早的系列y f 型安全阀的流量就更小，目前国内 采用的结构仅有柱塞加弹簧式，且故障较多，常见问题有关闭压力低、流量压力特性 曲线不稳定、开启压力有增阻现象、放置一定时间或在井下使用一段时间后，开启压力 和封闭压力发生变化、寿命低和可靠性差。所以如何提高安全阀的启溢闭特性并能迅速 溢出大流量工作介质已成为广大安全阀设计研究者重点考虑的问题。 郑卅i 煤矿机械集团有限责任公司是煤炭行业生产液压支架的大型骨干企业，全国 5 0 0 家最大的机械工业企业之一。自1 9 6 4 年研制我国第一台液压支架以来，己生产各类 液压支架4 万余台，产品分布我国个1 4 省5 4 个矿务局，并出口土耳其、印度等国。由 于安全阀在液压支架上的重要作用，郑州煤矿机械集团液压工程中心广泛吸收国际上先 进经验新研制了一种f a d l 6 0 4 2 型安全阀，设计流量1 6 0l m i n ，调压范围3 5 - - 5 0 m p a ， 主要具有以下特点：结构紧凑，通过流量大，密封性能好，使用压力高等。 1 3 高水基介质 作为传动介质，常用的液体主要是石油基矿物油。随着液压技术的发展，每年消耗 的液压油越来越多，这是对能源的极大浪费，而且矿物油易燃烧，特别是随着工作压力 的提高，着火的危险尤为严重，从高压油管喷出的油液往往呈细雾状，只要遇到 3 0 0 4 0 0 0 c 高温就会燃烧，并可能引起火灾，造成设备及人身事故。由于煤矿综采工作 面的特殊工作环境和液压支架电液控制系统高压下工作性能的要求，所选用的液压介质 必须首先保证生产工作面的安全性，即介质不易燃烧，再者需满足传动过程中的一些具 体要求，所以煤矿生产工作面液压支架电液控制系统的工作介质一般选用的是高水基液 压液j 。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 所谓高水基介质是以水为主要成分，一般含水量达9 0 - - 一9 5 以上，5 左右为复合 添加剂。在复合添加剂中通常含油性剂、防锈剂、消泡剂、防霉剂、防冻剂等。由于其 主要成分是水，所以它继承了水的特性，诸如不燃烧，粘度变化小，比热大，导热性能 好。系统的温升一般比使用矿物油低8 - 1 4 摄氏度，价格仅为矿物油的1 t o 左右，特别 是不燃烧，确保安全生产等方面具有无可比拟的优越性。同时可避免油液泄漏对环境的 污染，防止油分子挥发对人体健康的危害0 1 。此外，能源短缺是永久的，节能工作刻不 容缓，高水基液体可以代替矿物油产品使用，缓解油紧张，且高水基液体与矿物油相比， 系统有效能提高了1 5 2 0 p 】。 当然，高水基介质不可避免也有它的缺点，如易泄漏等。除了添加各种化学添加剂 外，还需要从液压元件和液压系统方面进行相应的研究，以适应高水基液压液的要求。 1 4 国内外液压阀的研究状况 针对一般的液压阀类元件内部流场所作的数值模拟与仿真研究，国内外学者对液压 f 阀的内部流场及特性已经进行了大量的研究工作，对进一步发展和完善液压阀的性能等 提供了有力的理论基础。 ； 王永强p 4 1 对液压支架用安全阀进行了试验研究。根据该安全阀的结构特点，对其在 鼍 支架上的实际应用系统进行液压动力学分析，建立了系统的数学模型，得到了一组微分 方程，用四阶龙格库塔法进行求解，建立了系统的仿真模型。通过设计和搭建实验系统， 完成了对该阀动态特性指标的测试，即得到该阀在输入信号突变时的动态响应曲线。 p r i y a t o s hb a r m a n ”对三维的滑阀模型进行了仿真研究。指出滑阀在流量很大，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。 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。 m b o r g h i ，m i l a n 2 1 文中使用c f d 软件f i d a p 7 0 7 分析了安全阀在固定开口度为 0 4 ，o 7 ，1 0 ，1 2 m m 时的压力分布图、速度分布图和流量、压力与压差的曲线图。通 过阀芯表面上的压力积分计算了阀的稳态液动力，根据公式估计了瞬态液动力和稳态液 动力两者的比例。y o s h i n a r in a k a m u r a 3 1 等通过实验的方法对锥阀的静态特性和动态 特性进行了详尽的研究；m k i p p i n g 4 1 用三种不同介质对液压滑阀的内部流场分别作了 实验和数值分析；m d i e t z e n 5 1 用不同的二维和三维模型对液压阀在不同的锥角下进行了 数值模拟，并与实验结果基本吻合。 7 太原瑗菱大学颈士研究生学位论文 长江大学冯进等运用计算流体动力学方法( c f d ) 对安全阀从开启到排放过程进行数 值模拟，研究了安全阙的动态特性。通过动网格的生成与消亡，较好地解决了因阀瓣运 动所导致计算区域瞬时变化闽题。模拟结果表骠，应用c f d 技术对安全阀动态过程的模 拟，将为研究安全阀水动力特性提供一种有力工具。 西南交通大学的王国志u q 等运用三维流体分析软件对水愿滑阀的流动状态以及阀 芯受力情况进行了数值计算，对可视化的图形图像和计算结果进行了分析研究。通过数 值计算和可视化研究可以较容易获得在理论上很难计算的滑阀阀芯所受的液动力。仿真 计算所得的可视化结果与理论数据基本吻合，其结果为水压滑阀的设计提供了依据。 燕山大学的高殿荣p 钉首次将有限元方法应用于液压技术中各种异形断面流道，并对 液压集成块内部的复杂流道、滑阀和锥阀流场进行了数值模拟，还从流体力学的连续性 方程和n a v i e s - s t o k e s 方程出发，并根据流函数和涡量与流速之闻的关系式，推导出了 以流函数和涡量w 为变量的n s 方程的交形公式，并对其进行无量纲化。 浙江大学的王林翔 采用湍流模型的七一f 两方程模型和有限容积法，对滑阀阀道 痰的流体流动进行了数值分析。 浙江大学的冀宏鞲叼，利用理论分析、流场仿真、压力分布测量等方式相结合，发现 通过等截面段形成二级节流或采取大楔形角可以有效的消除气穴和噪声。 太原理工大学的熏芳渊，采焉a u t o c a d 和u g 软件，按照先导阀的实际结构和参数， 结合计算数学模型的可行性，分别建立了阀的二维和三维几何模型。运用f l u e n t 前处 理软件g a m b i t 进行了网格的划分。在f l u e n t 软件中对两种模型的流场进行了稳态数值 模拟。 1 5 本课题的研究方法、内容、目的和意义 1 5 1 研究方法 数值模拟是一种行而有效的流场计算方法，本文利用f l u e n t 流体动力学分析软件， 对安全阀的流场进行数值模拟。将安全阀设计中的菜一参数作为初值，然嚣通过计算枧 的快速运算，对输入流场的边界条件、参数及模拟的模型等进行评估，并确定修正措施， 进行修芷，将流道各个位置上的速度、压力等物理量的分布、数值排列显示予图像，并 针对所得哥视化结采遴行分析，褥溺相关结论。这对于安全阂的性毙分析和流道结构的 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 优化设计具有重要的实际意义。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 对安全阀的二维流场进行f l u e n t 单项流数值模拟。确立阀的边界尺寸和边界 条件，在计算流体动力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的f l u e n t 软件环境下进行阀的二维可视化数值模拟。得出了阀的压力损失、阻力大小等 随流量、阀开口量及出口压力的变化关系，最易发生气穴与气蚀现象的位置及 条件等结论。 ( 2 ) 对安全阀的二维流场进行f l u e n t 两项流数值模拟。 ( 3 ) 运用c a d 软件中的u g 建立了安全阀的三维模型。考虑到数值模拟对设计所应 具有的指导性，采用了实际所用安全阀的物理结构和参数进行建模，并导入流 体动力学分析软件f l u e n t 的前处理器g a m b i t 中划分网格，后又导入f l u e n t 中对网格进行自适应处理，加以细化，以提高计算精度。 ( 4 ) 对安全阀的三维流场进行f l u e n t 数值模拟。确立阀的边界尺寸和边界条件， 在f l u e n t 软件环境下进行阀的三维可视化数值模拟。得出了阀的压力损失等 随流量及出口压力的变化关系，并对阀所受的稳态液动力进行了分析，为阀设 计与结构优化提供了参考依据。 1 5 3 研究的目的和意义 随着现代科学技术的飞速发展，流体传动与控制技术不仅可以充当一种传动方式， 而且可以作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术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忙。能量转换、动力传动以及传动控 制依然是2 1 世纪全球经济的重要组成部分，流体传动与控制技术也依然是其中极为重 要和积极的角色忙2 1 。 液压阀对流体的控制是通过内部流体的流动来实现对执行元件动作的控制，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。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，对液压阀内部的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，研究工作对阀的结构参数设计和流道的优 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 化设计具有重要的实际意义。 目前对三维模型的研究也只是对阀芯在固定开口度状态时的流场特性进行仿真，对 阀芯在运动过程中阀内部流场的规律、特点的理论分析还很少。液动力是设计、分析液 压控制阀的重要因素之一，在国内外的研究中，大都是关于稳态液动力的机理研究和理 论计算公式的推导，对稳态液动力也提出了很多有效的补偿措施。对于阀瞬态液动力的 研究工作较少，而且未见统一的理论计算公式。 本论文主要研究高水基安全阀的流场特性，应用流场数值模拟及可视化方法进行分 析，要研究清楚安全阀流场的流动特性和力特性及其影响因素，确定出该阀所受稳态液 动力和总作用力的大小，漩涡和空穴现象产生的区域，找出阀结构中的薄弱环节，以分 析阀的性能，并为此类安全阀的优化设计提供可靠的理论依据。这对于降低实验研究费 用，缩短前期研发周期，加快高水基技术发展的进程，对于提高安全阀的使用寿命和工 作性能，改善加工工艺设计，解决安全阀存在的一些主要问题等都有一定的指导意义； 对于保证整个使用高水基介质传动的液压支架电液控制系统和煤矿安全而高效地生产 都具有十分重要的现实意义。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章c f d 应用基础 2 1 计算流体力学的特点及计算步骤 2 1 1 计算流体力学的特点 任何流体运动的规律都是以能量守恒、动量守恒和质量守恒三大定律为基础的。 这些基本定律可以通过积分或者微分的形式来描述。把这些积分或者微分用离散的代数 形式代替，使得积分或微分的形式变为方程或方程组，然后借助于电子计算机来求解方 程或方程组，从而得到流场在离散的时间或空间上的数值解。这样的方法称为计算流体 动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) ，简称c f d ，也称流场的数值模拟，数值计算 和数值仿真。 研究流体力学的方法一般是实验研究、理论分析与数值模拟三种。随着计算技术的 发展，计算流体力学自2 0 世纪6 0 年代中已形成一独立的学科分支，成为研究流体运动 规律，解决很多工程实际问题的三大手段之一。近年来，随着高速巨型并行计算机的出 现，计算方法的不断创新，计算流体力学更有了日新月异的进展。计算流体动力学，就 是在电子计算机上求解流体动力学基本方程的学科，通过数值求解各种简化的或非简化 的流体动力学基本方程，获取各种条件下流场的数据和作用在绕流物体上的力和热量 1 ，它为流体力学的发展掀开了新的一页，成为当今最活跃的研究领域之一m 1 。 c f d 模拟的目的是帮助理解流体流动，建立理论和模拟的数学模型，在工程上支持 设计过程和作出决断。模拟的目的就是对流场作出预测和获得知识，理论的预测出自于 数学模型的结果，而不是出自于一个实际的物理模型的结果。数学模型主要是由一组微 分方程组成，这些方程的解就是c f d 模拟的结果。在流体力学基本方程中的微分和积分 项中包括时间、空间变量以及物理变量，要把这些积分或者微分项用离散的代数形式代 替，必须把时空变量和物理变量离散化。空间变量的离散对应着把求解域划分为一系列 的格子，称为单元体或控制体。所谓数值解就是在这些离散点或控制体中流动物理变量 的某种分布，它们对应着的流体力学方程的用数值表示的近似解。由此可见，c f d 得到 】1 太原理工大学硕士研究生学位论文 的不是传统意义上的解析解，而是大量的离散数据，这些数据对应着流体力学基本方程 的近似的数值解。 作为研究工具，计算流体力学具有其独特的优点。计算流体动力学是与流体有关的 动力系统设计的重要工具，相对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、可以模 拟真实及理想条件等优点。计算流体动力学与液压阀等基本理论的结合，比采用试验可 视化方法如d i p v 等更容易、直接，而且可以节约经济开支。在初步设计阶段，用计算 流体力学可以较快地进行技术可行性分析，多种方案的筛选，相对于试验阶段更省时， 经济效益更好；在对某个方案进行具体设计阶段时，计算流体力学更适用于进行优化设 计。总之，使用计算流体动力学在工程设计中不仅可以得到很好的对内部结构的预测， 减少和避免风险，而且可能花费更少的时间和经费获取性能优化。过去计算流体力学只 是研究和发展部门的专家使用的工具，现在计算流体力学技术已经广泛地应用于工业生 产和设计部门。 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括以下步骤： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反映问题 的各个量之间关系的微分方程及相应定解条件，这是数值模拟的出发点。流体的基本控 制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条 件。 ( 2 ) 寻求高效率、高精确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法， 如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化 方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等等，这些内容是c f d 的核 心。 ( 3 ) 进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入和控 制参数的设定等，这是整个工作中花时间最多的部分。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质 量和结果有重要参考意义。 2 2 主要数值方法 计算流体动力学，就是在电子计算机上求解流体动力学基本方程的学科，通过数值 求解各种简化的或非简化的流体动力学基本方程，获取各种条件下流场的数据。在计算 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 流体力学中，研究流体运动规律的手段是采用数值计算方法，求解描述流体运动基本规 律的数学方程，以数值模拟的结果为依据研究流体运动的物理特征。数值计算方法是计 算流体力学的基础，目前广泛使用的计算方法是：有限差分法，有限体积法、有限元法 和谱方法。 2 2 1 有限体积法 有限体积法直接在物理空间对守恒律的积分公式进行离散，可保证离散方程质量、 动量和能量的守恒，适用于任意形状非结构网格，对给定网格点，其控制体的形状和位 置以及控制面上的通量计算方法有很多种。 根据定义变量的位置不同，有限体积法一般采用两种方法： 1 、单元中心型有限体积法。此时变量仅与一个单元有关，流动变量是单元内的平 均值，可视为单元内某点的值( 如单元中心点) ，网格单元与控制体重合。 2 、单元项点型有限体积法。此时变量定义在网格点上即单元顶点上，控制体定义 存在多种选择。 毒z 。 五有限体积法的基本思想易于理解，首先将计算区域划分为许多区域，即控制单元。 f 将待解微分方程( 控制方程) 对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程，其中的 未知数就是网格点上的因变量，将其代入微分方程可得到离散的代数方程，其中的未知 和 数就是网格点上的因变量的数值，有限体积法也只是需要因变量的节点值，不考虑因变 量在网格点之间的变化，利用插值函数只是用来计算控制体积的积分，得到离散方程， 这点与有限差分法相似。 有限体积法建立离散方程的步骤为1 ： ( 1 ) 将守恒型的控制方程在任一控制容积及时间间隔内对空间与时间积分。 ( 2 ) 选定未知函数及其导数对时间及空间的局部分布曲线( 称为型线或插值方法) 。 ( 3 ) 对各个项按选定的型线进行积分，并整理成关于点上未知值的代数方程。 2 2 2 有限差分法 有限差分法通常采用截断的t a y l o r 级数来近似微分方程，是导数定义的直接应用。 有限元法采用问题的变分原理或加权余数法来控制每一元素的近似解与真实解的误差， 其网格单元是非结构形式的。有限体积法是对方程的积分形式进行离散，它既可以像有 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 限元法那样方便地应用非结构网格，又可以像有限差分法那样方便地确定离散的流场。 有限差分法数值求解问题时，首先要求在求解