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太原理工大学硕士研究生学位论文 内流工况液压锥阀内部流场的三维可视化模拟与仿真 摘要 本文在参阅大量国内外有关计算流体力学和流场数值计算方法相关资 料的基础上，用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 对内流工 况液压锥阀内部流场进行了三维数值模拟及可视化分析。 考虑到锥阀内部流道的不完全对称性、阀套上的通油孔对液压阀内部流 场的影响，本文在对液压锥阀流场进行数值模拟时，采用了与实际所用锥 阀相同的物理结构和参数，建立了三维计算模型，对几种不同结构的液压 锥阀进行了综合分析。具体内容如下： ( 1 ) 对榆次油研液压有限公司实际生产的一种锥阀建立三维模型，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。在阀芯固定不动和阀芯运动 过程两种状态下，对流体在锥阀内的流动状态进行了仿真研究。在进行锥 阀的稳态仿真时，分别对锥阀在不同开口度时设定不同的边界条件，对其 流场进行仿真研究。阀芯运动状态的瞬态仿真采用动网格技术，利用u d f ( u s e r d e f i n e d f u n c t i o n s ) 功能，定义了阀芯在开启和闭合两种情况下的不同 速度，对其运动过程中阀腔内部的流场进行了仿真。对实际工作中产生噪 声的原因进行了分析。 ( 2 ) 对中1 6 通径的插装锥阀，建立三维模型，对锥阀在内流工况时的流 场做了仿真。根据仿真得到的速度矢量分布，压力分布，对锥阀的结构和 参数做了调整，改善了流道并进行了仿真，综合比较了不同结构的流场特 性。从仿真结果中得出，阀套带锥面的结构，流场性能要好一些。 ( 3 ) 在液压阀节流口处由于液流速度发生变化，将有液动力作用在阀 芯上。液动力是设计、分析液压控制阀时应考虑的重要因素之一。首先对 巾1 6 通径的插装锥阀，内流工况时的稳态液动力和瞬态液动力进行了理论 太原理工大学硕士研究生学位论文 ， 计算，然后又通过对锥阀流场进行稳态仿真和瞬态仿真，对稳态液动力和 瞬态液动力进行了仿真计算。最后对考虑了阀芯内部流道和阀套影响的流 量系数做了仿真分析。 以上所进行的研究工作为以后对锥阀的设计和性能优化提供了依据。 本文课题第三章内容来自于榆次油研液压有限公司合作项目；其他内 容来自国家自然科学基金项目：新概念电液流量、方向连续控制的理论与 方法的研究，项目批准号：5 0 5 7 5 1 5 6 。 关键词：内流工况，液压锥阀，动网格，u d f ，液动力 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 dv i s u a ls i m i ，a - t 1 0 no ff i t h ef l o w f i e l di nh y d r a u l i cp o p p e tv a l v e w i t hi n s i d ef l o w a b s t r a c t i nt h ep a p e r , b a s e do nr e a d i n ga n ds t u d y i n gag r e a tn u m b e ro fr e f e r e n c e s a b o u tf l u i dd y n a m i ct e c h n i q u ea n dn u m e r i c a lc o m p u t i n gm e t h o d so ff l o wf i e l d ， 3 一dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dv i s u a la n a l y s i so ft h ef l o wf i e l di nh y d r a u l i c p o p p e t v a l v ew i t hi n s i d ef l o ww o r kc o n d i t i o nw e r eo b t a i n e d b yc 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 ) s o f t w a r ef l u e n t c o n s i d e r i n gt h ei n c o m p l e t es y m m e t r yo ft h ef l o wf i e l di nt h ev a l v e ，t h e i n f l u e n c eo ff l o wf i e l di nt h eh y d r a u l i cv a l v eb yt h eo i lh o l eo nt h es l e e v e t h e3 - dm o d e l sa r ee s t a b l i s h e dw i t ht h es a m es t r u c t u r ep a r a m e t e ra st h ep r a c t i c a l s o m ea n a l y s i sa b o u td i f f e r e n ts t r u c t u r em o d e la r em a d e ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w ： ( 1 ) a i m e da t a p r a c t i c a lm a n u f a c t u r e dp o p p e tv a l v ei ny u c ih y d r a u l i c r e s e a r c hc o m p a n y , 3 - dm o d e li se s t a b l i s h e d t h em e s ho ft h em o d e li s g e n e r a t e db yg a m b i tw h i c hi st h ef o r e p r o c e s s o ro ft h ef l u e n t b o t ht h es t a t i c v a l v ec o n ea n dt h em o v i n gv a l v ec o n e ，t h eh y d r a u l i co i lf l o wi n s i d et h ep o p p e t v a l v ei ss i m u l a t e d w h e nt h ep o p p e tc o n ei s s t a t i c ，t h ef l o wf i e l di n s i d et h e p o p p e tv a l v ei ss i m u l a t e da tt h ed i f f e r e n to p e n i n gp o s i t i o n sa n dt h ed i f f e r e n t b o u n d a r yc o n d i t i o n s w h e nt h ep o p p e tc o i l ei sm o v i n g ，t h ef i e l df 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 d u s e rd e f i n e d f u n c t i o n s ) ，t h ev e l o c i t yo ft h ep o p p e tc o n ea b o u to p e n i n ga n dc l o s i n ga r e d e f i n e d n es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eu s e f u lf o rt h ea n a l y s i so fn o i s ea b o u tt h e p o p p e tv a l v e ( 2 ) a i m e da tc a r t r i d g ep o p p e tv a l v ew i t h 由1 6d i a m e t e r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n sa r em a d e b a s e do nt h ev e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o na n dp r e s s u r e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 d i s t r i b u t i o nr e s u l t s ，t h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sa b o u tv a l v ea r ea d j u s t e d ，t h e c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n ts t r u c t u r ev a l v e sa r ec o m p a r e da n di n v e s t i g a t e d ( 3 ) w h e nt h ev e l o c i t yo ft h ef l u i df l o wi sc h a n g i n g ，t h ef l o wf o r c e i s g e n e r a t e d ，i ti st h ei m p o r t a n tf a c t o rf o rd e s i g n i n ga n da n a l y z i n gt h ec o n t r o l v a l v e t h es t a t i ca n dt r a n s i e n tf l o wf o r c ei sc a l c u l a t e db yt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a a n dt h es i m u l a t i o n t h es t u d yf o rt 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 g t h ev m v ea n do p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c e t h ec o n t e n t so ft h et h i r dc h a p t e rc o m ef r o mt h ec o o p e r a t i o ni t e mw i t hy u c i h y d r a u l i cr e s e a r c hc o m p a n y ；t h ee l s ec o n t e n t sc o m ef r o mn s f ci t e m ：t h e t h e o r i e sa n dm e t h o d so fc o n t i n u ec o n t r o la b o u tf l o w 、d i r e c t i o no fn e w c o n c e p t i o ne l e c t r o n i c “y d r a u l i c ，i t e ma u t h o r i z e dn o5 0 5 7 5 15 6 k e yw o r d s ：i n s i d ef l o ww o r kc o n d i t i o n ，h y d r a u l i cp o p p e tv a l v e ，d y n a m i c m e s h ，u d f ( u s e rd e f i n e df u n c t i o n ) ，f l o wf o r c e i v 声明 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：盗整 日期：銎望，擎 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) o 签 名：埠翌日期：冱挈。：半 导师签名： 拯叠日期：兰! z ：! 筮 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 计算流体力学的发展与前景 自然界中空气、水、油液等易于流动的物质被称为流体。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。流体力学就是- - l - j 研究流体运动规律及流体和固体之间相互作用的学科。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， 乃至航海、航空和航天等领域内动力系统和外形的设计等。 人类在引水灌溉、水能利用、海上航行等等改造自然界的实践过程中，逐渐地发现 了流体运动的规律而建立了流体力学这门学科。前人在所得到的普遍原理或定律的基础 上，针对不同的具体条件，加以推理演绎，得出更为具体的结论来。经典流体动力学主 要成就之一就是在经典力学的几个基本定律基础之上，经过数学演绎而给出了三大守恒 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动力学问题的纳维一斯托克斯方程、霄 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。任何 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。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，紊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。但是由于很难得到复杂流体 动力学问题的解析解，与工程相关的流体力学问题几乎不可能得到解析解。由于理论分 析方法对于较复杂的流动现象还无能为力，从此流体力学又派生了一个重要分支，即实 验流体力学。人们利用相对运动原理，搭建不同的实验台，直接测量流动参数，获取数 据。但实验往往受到模型尺寸，流场扰动和测量精度的限制，有时很难通过实验方法得 到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 随着实际的需要和计算机技术的飞速发展，计算流体力学发展成为了流体动力学第 三种研究方法。计算流体力学是利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数学方 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动的空间物理特性和非定常流体运动的 时一空物理特征的学科n 1 。随着计算技术的提高，计算流体力学在2 0 世纪7 0 年代有了 突飞猛进的发展，而且正以更快的速度前进。它求解问题的深度和广度也在不断发展。 它不但可用于研究一些物理问题的机理，解决实际流动中的各种问题，而且可用于发现 新的物理现象。特别是近年来研究紊流所取得的成果证明了采用数值模拟方法与实验研 究相结合是突破多年来流体力学中的难题紊流问题的重要途径。在计算流体力 学中，研究流体运动规律的基本思想是采用数值计算方法，利用数学工具，来求解描述 流体运动基本规律的非线性微分方程，以数值模拟的结果为依据研究流体运动的物理特 性。数值计算方法是计算流体力学的基础，数值计算方法已经出现了有限差分法、有限 体积法、有限元法、特征线法、涡量法等多种。 实验研究、理论分析和数值模拟方法是研究流体运动的三种基本方法，它们的发展 是相互依赖相互促进的2 。 图i - 1 三种研究方法的关系示意因 f i g i lt h er e l a t i o ns k e t c ho f t h r e er e s e a r c hm e t h o d s 1 2 计算流体力学在液压技术中的应用 涉及到流体力学的学科和工程技术部门是多方面的，例如水利水电、船舶航运、液 压传动等等。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。 在液压系统中，以液体作为传递能量的介质动力机构将能量传递给液体，变为液体 的压力能，通过一定的控制机构，以需要的规律和形式传递到执行机构，变为执行机构 对外作功的机械能。可以看出，在整个传动的各个环节都离不开工作介贾一液体。液 压传动借助流体的流动性来迅速传递动力和运动。因此，无论是设计整个液压系统还是 单个液压元件都必须充分掌握工作介质的流体力学规律，这是了解和分析液压元件、系 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 统的工作原理和性能，以及进行动力计算的理论基础“。 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。特别是近几年来，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。随着液压技术 的发展，需要流体力学上的专业知识也在不断扩大，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。 利用数值计算方法对液压传动中的相关问题进行求解，并且借助于计算机可视化技 术把计算所得到的大量数据转变成便于对流场直观分析和研究的可视化图形或图像形 式。计算流体力学的发展使得对几乎一切流体力学问题，其中包括对液压元件内部流体 流动问题的数值研究及可视化研究成为可能。 1 3c f d 方法研究液压元件内流场特性的文献综述 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 系统的控制是通过控制内部流体的流动来实现的，因此应用c f d 方法对液压阀的内部流 场及特性进行研究，进而获取或者提高液压阀的控制性能，具有很重要的意义。对此国 内外学者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提供了有力的 理论基础。 国内西安交通大学的曹秉刚等人于1 9 9 1 年在“机床与液压 上发表了题为“锥阀流场 的边界元解析”的文章d 1 ，用积分方程与有限元方法结合而发展起来的边界元方法对锥 阀流场进行了数值解析，是用速度、旋度和压力为变量的边界元方法将n _ s 方程进行了 简化，对内流式锥阀用二元流动模型进行简化并划分为上、下阀腔两个部分进行了解析， 得到了速度场和边界压强的分布。1 9 9 5 年在“西安交通大学学报”发表了题为“内流式锥 阀液动力及阀芯锥面压强分布的实验研究”的文章“1 ，设计了专门的锥阀阀芯，搭建了 测试锥面压强分布与阀芯所受液动力的实验装置，通过实验研究了内流式锥阀稳态液动 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 力和阀芯锥面压强分布的规律。在发表于“西安交通大学学报 的论文“内流式锥阀液动 力的理论探讨”中“1 对内流式锥阀稳态液动力的计算进行基础的理论分析，给出了理论 计算公式，并与实验数据做了比较。 邓春晓，潘地林在煤矿机械上发表的“液压锥阀的有限元分析及优化设计”“1 的一文中，首先三维c a d 软件s o l i d w o r k s 中创建了液压锥阀流场的三维模型，用有限 元分析软件c o s m 0 s f l o w o r k s 对其进行静态分析，给出了锥阀阀腔内流体的流场流速 分布及压力场分布情况。并根据有限元计算结果，对锥阀结构进行了优化设计，改善了 漩涡存在的情况，使流场分布相对的稳定，减小了能量损失。从而达到应用有限元方法 对锥阀优化设计的目的。 郁凯元，盛敬超在液压与气动上发表的“关于内流式锥阀稳态液动力方向的探 讨”7 一文中，通过选取与传统方法分析液动力时不同的控制体积，应用动量定理进 行理论推导，得出稳态液动力的方向始终指向使阀芯关闭的方向的理论。 高殿荣、王益群发表了多篇研究锥阀内流场特性的论文，于2 0 0 0 年在“机床与液压” ( 2 0 0 0 n o 2 ) 上发表的题为“液压锥阀流场的有限元解析”的文章抽，作者用近年来 发展起来的有限元方法，对外流式锥阀的内流场作了数值模拟，用二维流动作了近似， 并给出了锥阀流场的速度矢量图和流线图谱。 2 0 0 2 年在“机械工程学报”( v 0 1 3 8n o 4 ) 上发表了题为“液压控制锥阀内流场的 数值模拟与试验可视化研究”一文“，作者用有限元法对液压控制锥阀在不同的开口度、 不同的阀芯结构、不同的阀座尺寸下的内流场进行数值计算。作者在此基础上，把计算 得到的大量数据转变成便于对流场直观分析和研究的可视化图形图像，并用d p i v 流场 试验可视化技术对数值计算进行了验证。为消除阀芯凹角处的漩涡，减少流动的能量损 失和流体噪声，将阀芯的结构进行了改进。 蹩x 。 掣 朱 翻鞘 图卜2 初始阈芯结构图1 - 3 改进舌的网芯结构 f i g 1 - 2t h eo r i g i n a lv a l v es t m c t m f i g 1 - 3t h em o d i f i e dv a l v es t r u c t u r e 高红、傅新等人在2 0 0 2 年在机械工程学报上发表的“锥阀阀口气穴流场的数值 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 模拟与试验研究”一文“”中作者采用r n gk - s 湍流模型数值模拟了锥阀阀口的气穴流 动。采用二维轴对称几何模型( 图卜3 ) ，对锥阀内部流场进行了数值仿真。运用工业纤 维镜与高速摄像机等组成流场可视化试验系统，观察了阀口附近的气穴现象，对其进行 数字图像处理后，获得了气穴流场的分布信息，与仿真结果比较。2 0 0 3 年在中国机械 工程上发表的“球阀阀口气穴流场的数值模拟与实验研究”一文“中对球阀阀口的 三维气穴流场进行了数值模拟( 图1 4 ) 。计算了小球在对称位置与非对称位置的气穴流 场。运用高速摄像机观察了阀口附近的气穴现象，与模拟结果进行了比较。 图l 一4 锥网的结构图图1 5 球网的三维网格 f i g 1 - 4 t h es m l c t u r es c h e m e o f p o p p e t v a l v ev i e 1 5 t h e3 - d m e s h o f s p h e r i c a l v a l v e 冀宏、傅新等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1 习一文中，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。采用流场仿真和流动显示试验，获得了溢流阀流道内的压力和气穴分布图象；根 据流场仿真的结果，对流道结构及参数进行了局部的优化。在阀芯处开了环形槽，结果 表明在带环形槽的阀芯结构中，有较大的漩涡形成，使实际通流面积减小，且漩涡通过 粘性摩擦耗散流体动能，有利于降低流动噪声。 王国志、王艳珍、邓斌、于兰荚、柯坚等在“机床与液压 上发表了题为水压滑阀流 动特性可视化分析一文n ”，作者运用三维流体分析软件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，对可视化的仿真图像和计算结果进行了分析研究。结果表明： 流体流动过程中，过流断面面积的突变将引起流速和压力相应变化，并在突变处产生主 流与壁面脱离的现象，在阀座拐角处形成旋涡区。过流断面面积突变处和旋涡区将引起 较大的能量耗散。2 0 0 3 年他们在机械上发表了“水压锥阀流场的c f d 解析”一文“。 文中对水压锥阀流场进行了c f d 解析，建立了二维模型结果以可视的速度场和压力场分 布给出。针对锥阀过流特性的分析结果对阀芯结构进行改进，将阀芯锥面与柱面直接相 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 接改为圆弧过渡。如图 出口 图1 - 7 改进舌的模型结构参数 f i 9 1 7t h es 仃u c t u r a lp a z a m e t e ro f i m p r o v e dm o d e l 文中忽略了瞬态液动力的影响，只是对轴向稳态液动力进行了分析。 赵铁钧、王毅在长春光学精密机械学院学报上发表的锥阀受力分析及动特性研 究1 日一文，本文通过动量定理求出流动液体对阀芯的作用力，对锥阀阀芯受力情况进 行了分析，对阀芯的力平衡方程进行了增量处理，给出了锥阀的方块图，并给出了锥阀 的传递函数和状态方程。 付文智，李明哲等在机床与液压上发表的“液压锥阀的数值模拟”一文n 中， 用有限元方法建立锥阀式结构的数学模型见图i - 7 、l _ 8 ，在计算过程中，假设t - 维不 可压无粘性流动初始时候无旋，内部流动是层流状态。通过有限元程序的计算及后处理， 得到了液体压力，液体流速在阀腔内的分布规律。根据得到的流体对锥阀阀芯锥面的液 体压力分布规律，对液体压力积分计算，得到了流体对锥阀阀芯y 向的总作用力。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 8 锥阀结构图 f i g 1 8t h es t r u c t u ms c h e m eo f p o p p e tv a l v e 图卜9 二维流动区域的有限元网格 f i g 1 - 9t h e2 - dm e s ho f f l o wd o m a i n 汤志勇等人在机床与液压上发表的“关于锥阀动态液动力的探讨中州，文中 应用运动控制体的概念，推导得出了锥阀动态液动力的计算式，从理论和实验两个方面 研究了液动力的频率响应。对考虑流体的可压缩性和不考虑流体的可压缩性两种情况， 比较了理论分析与实验结果。指出无论是外流式还是内流式，锥阀阀芯工作频率较低时， 阀芯主要受稳态液动力作用，瞬态液动力相对较小，这时可以忽略油液的可压缩性。当 阀芯工作频率较高时，忽略油液的可压缩性将引起很大的误差。 练永庆，吴朝晖，王树宗在“机床与液压 ( 2 0 0 2 n o 1 ) 上发表了题为“基于c a d 模型的液压流量系数的数值计算州”1 ，作者用a u t o c a d 软件建立了圆锥阀c a d 的二维模 型，利用p h o e n i c s 计算流体力学软件对阀的二维流场进行了数值模拟，并在此基础上 对不同雷诺数条件下的流量系数进行了计算。经过与试验结果的对比证明了计算的正确 性和可行性。作者同时指出，尽管本文仅对较为简单的液压圆锥阀的流场进行了二维计 算分析，但由于p h o e n i c s 软件具有与c a d 模型的接口，因此对于较为复杂的阀以及阀 的三维流场分析，通过更为精细的c a d 建模与网格划分，都将可以得到解决。因此通过 运用c a d 与计算流体力学软件到液压阀的设计中，将有助于阀的优化设计，而且减少设 计时间，减少设计费用。 程晓蒙，雷步芳，李永堂在锻压装备与制造技术上发表的“液压阀c f d 研究方 法在c a d c a e 一体化设计中的应用”中n ”，利用c a e 软件m s c ) l a r c 对液压阀内流场进 行有限元分析，在m s c m a r c 中分别建立了两种滑阀结构形式的几何模型。根据算得的 参数，在参数化特征建模原理指导下，利用p r o e 建立液压阀几何体，将三维几何体转 化为二维的机械加工图。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 s h i g e r uo s h i m a ，t i m ol e i n o 等在水压锥阀气穴流场的试验研究一文啪1 中，对水 压锥阀的内流和外流两种情况进行了试验研究，并和作者以前研究的油液锥阀进行比较 分析。详细地给出了不同压差下节流口处的压力变化、流量系数和质量流率的变化曲线 图，以及阀芯上的压力分布图。对理论研究和数值模拟都是一个很好的参考。 t e t s u h i r ot s u k i j i 使用涡量法对液压阀内的流场进行了数值模拟“。分剐对滑阀 的二维流动和锥阀的三维轴向流动进行了模拟。对滑阀的研究是阀在重复地开启和闭合 运动时的流场进行了数值模拟。对锥阀的研究时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。 t a k a s h ia r a k a w a ，a t s u s h it a n i h i r a 等发表了锥阀的模拟技术纰1 一文，给出了不 同阀芯形状的阀内部流场的流体力特性和流量特性以及阀节流口的最低负压曲线，并通 过试验验证了c f d 仿真结果。 r a m i r a n t e ，g d e lv e s c o v o ，a l i p p o l i s 等发表了液控方向阀的液流力分析 一文陴1 着重对一个三位四通滑阀开阀口过程中的液动力进行了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 0 ，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。 y u k e s h e n ，k o j i t a k a h a s h i ，t o m o y a s u 发表的锥阀射流的数值分析“1 一文用流线坐 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。 sb e r n a d ，rs u s a n - r e s i g a 等研究锥阀阀腔内部的气蚀现象协，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，文中研究的锥阀模型的纵向截面为图i - i i ，计算区域取为轴 对称模型图卜1 2 。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 1 0 典型锥网的纵截面图 f i g 1 1 0t h ec r o s s - s e c t i o no f at y p i c a lp o p p e tv a l v e 图1 - 1 1 阀的轴对称计算区域 f i g 1 1 1t h ec o m p u t a t i o n a l d o m a i n i n a m e r i d i a n h a l f - p l a n e 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协，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。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。 q c h e n ，b s t o f f e l 发表的液压伺服阀湍流和气穴研究研1 ，该文献首先在理论上 分析了气蚀现象发生的机理，以及它的危害性建立3 d 流场模型，利用c f i ) 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，也验证了湍流流 动的基本流场特征( 例如漩涡) 的发生，与理论知识相一致 q c h e n ，b s t o f f e l ，l o n gq u a n 对液压系统的参数化计算方法和c f d 计算两者耦 合仿真的研究。1 ，提出了通过编程序实现，计算软件m a t l a b s i m u l i n k 与c f d 软件f l u e n t 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 之间的耦合处理。将两个软件的计算结果互相利用，互为边界条件。并且建立了一个节 流孔模型，对其进行耦合仿真，最后给出了压力分布图和气穴发生时在不同开口度的气 体所占体积百分数曲线。结果证明比单独使用f l u e n t 软件的计算时间减少了许多。 q i n g h u i y u a n ，p e r r yy l i ，发表的电磁换向阀的实验研究伽1 中，分析了传统电磁换 向滑阀在大流量时，仅依靠电磁力有时很难提供足够的换向力作者引入了利用“阻尼 长度”可控的液动力作为换向力的新思路，建立了不可压粘性流体的稳态和瞬态液动 力模型，通过c f d 软件f l u e n t 5 5 做了仿真计算，并进行了对应的实验比较实验表明，仿 真结果和实验结果非常温吻合，证明了这种方法的可行性 1 4 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一液压流 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。其中液压锥阀是流体传动与控制技术中 重要的基础元件，它由于密封性好、能够实现完全断流，过流能力强，响应快，受油中 杂质的影响不大等优点，逐渐获得广泛应用，特别在液压插装阀中，大都采用锥阀结构。 锥阀在工作过程中，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，对锥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，长时期以来，阀体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 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 气穴、旋涡、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， 对液压锥阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，进而预测或者分析锥阀的工作性 能，噪声产生的原因，对阀腔内部流道形状进行优化，成为液压技术领域新的研究热点。 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。 1 5 本课题的主要内容及应用方法 本文第三章内容来自于榆次油研液压有限公司合作项目；其他内容来自国家自然科 学基金项目：新概念电液流量、方向连续控制的理论与方法的研究，项目批准号： 5 0 5 7 5 1 5 6 。 本文使用c f d 工程软件f l u e n t 程序包对内流工况时的液压锥阀流场进行仿真研究， 依照实际所用阀的结构和参数，建立插装阀不同结构的几何模型，对阀在固定开口度和 以一定速度运动两种情况下进行了仿真。所作的主要具体内容是： ( 1 ) 对榆次油研科技有限公司实际应用中的一种锥阀建立三维模型，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。在阀芯固定不动和阀芯运动过程两种状态下， 对流体在锥阀内的流动状态进行了仿真研究。在进行锥阀的稳态仿真时，分别对锥f 阁在 不同开口度时设定不同的边界条件，对其流场进行仿真研究。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f 司速度，对 其运动过程中阀腔内部的流场进行了仿真。仿真结果有利予分析实际工作中产生噪声的 太原理工大学硕士研究生学位论文 原因o ( 2 ) 对巾1 6 通径的插装锥阀，建立三维模型，在内流工况时的流场做了仿真。根据 仿真得到的速度矢量分布，压力分布，对锥阀的结构和参数做了调整，并进行了仿真， 综合比较了不同结构的流场特性。从仿真结果中得出，阀套带锥面的结构，流场性能要 好一些。 ( 3 ) 在液压阀节流口处由于液流速度发生变化，将有液动力作用在阀芯上。液动力 是设计、分析液压控制阀时应考虑的重要因素之一。首先对由1 6 通径的插装锥阀，内流 工况时的稳态液动力和瞬态液动力进行了理论分析和计算，然后又通过对阀内流场进行 稳态仿真和瞬态仿真，对瞬态液动力和稳态液动力进行了仿真计算。最后对考虑了阀芯 内部流道和阀套影响的流量系数做了仿真分析。 ( 4 ) 对考虑了阀芯内部流道和阀套影响时的流量系数，通过仿真结果进行了计算。 以上所进行的研究工作为以后对锥阀的设计和性能优化提供了依据。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章c f d 仿真相关内容概述 2 1 计算流体力学基础知识 任何流体运动的动力学特性都是由质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律所 确定的。这些基本定律可由数学方程组( 偏微分方程组或积分方程组) 来描述，如欧拉 方程( e u l e r 方程) ，纳维一斯托克斯方程( 简称n _ s 方程) 等。利用数值方法通过计 算机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动的空 间物理特性和非定常流体运动时的时一空物理特性，这样的学科称为计算流体力学( 简 称为c f d ) 。 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( 理论、实验、计算) 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。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o c f d 的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力 场，用一系列有限个离散点上的变量值的几何来代替，通过一定的原则和方式建立起关 于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似 值。可以看作是在流体基本方程控制下对流体的数值模拟。通过数值模拟我们可以得到 及其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化 情况，确定漩涡分布特性、空化特性等。还可据此算出相关的物理量，如作用在固体表 面上的力、效率和流体机械的转矩等。 ， 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。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 得到的这些数据是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 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 动力系统设计的重要工具。相对于实验研究，成本低、速度快、资料完备、可以模拟多 种条件。比如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，计算流体力学可更方便进行优化设计。另外，计算 流体力学可以方便灵活地改变初始条件、边界条件以及几何边界条件，并且可直接获取 基本方程的解，可以获得整个流场中任意一点处的详细情况，给出流场包括力，速度， 密度，温度等所有详尽的数据，能方便的识别一些关键参数的影响和探索力学现象相互 作用的结果和规律，研究流动机理很方便。比如在液压技术的流道流场中，通过对液压 元件的压力分布，流线走向，以及对紊流模型中流场内部中旋涡，气穴部位等的研究， 可对流道内部结构进行优化和改造。总之，使用计算流体动力学在工程设计中不仅可以 得到很好的对内部流场情况的预测，而且可能花费更少的时间和经费获得所研究对象的 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。 2 2c f d 主要数值计算方法介绍 计算流体动力学( c f d ) ，就是在电子计算机上求解流体动力学基本方程的学科，通 过数值计算方法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