节流阀内部流场数值模拟分析毕业论文

1、.建筑与技术学院毕业设计（论文）摘要单向节流阀是流体传动和控制技术中的重要基础元件，节流阀的流场特性直接影响节流阀的性能。本文结合CFD（Computational Fluid Dynamics）软件FLUENT对节流阀的流场进行了数值模拟和分析。根据实际使用中节流阀的参数，利用Solid Works软件建立了阀门的三维几何模型。使用 FLUENT 预处理软件GAMB IT进行网格划分。两种模型流场的稳态数值模拟均在FLUENT软件中进行。当主阀阀芯特性不同、边界条件相同、孔口开度不同、边界条件相同时，对流场进行模拟，找出影响阀芯压力和速度分布的因素。在模拟主阀口时，比较了不同开度下沿过程的压

2、力分布，进而选择最合适的主阀阀芯形状和开度。在对阻尼孔进行数值模拟时，主要考虑节流阀开度两端的压差，求出两端压差较小的阻尼孔的直径值。关键词：单向节流阀，部分流场，数值模拟摘 要单向节流阀是基于流体传输和控制技术的最重要的部件，阀内溢流阀的流场特性直接影响阀门的性能。本文利用计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）软件FLUENT对先导式溢流阀的流场进行计算和数值模拟分析。本文根据实际使用先导式溢流阀的参数，利用Solid Works软件，建立了先导式溢流阀的三维几何模型。 FLUENT 软件，使用 GAMB I T 网格划分的前处理工程。 FLUENT软

3、件中两种模型的流场稳态数值模拟。滑阀在不同边界条件下的主要特性和阻尼相同的孔径不同，在相同的边界条件下模拟流场以确定影响阀芯压力和速度分布的因素。在模拟主阀口、主阀结构时，分别比较了球锥阀锥的结构，锥体平端阀结构沿途压力分布，然后选择最适合这里特性的主阀阀芯.对阻尼孔的数值模拟，重点考察两端压差的小阻尼，找出两端压差小直径的阻尼值。关键词：单向节流阀流场 数值模拟目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc231744751 目录III HYPERLINK l _Toc231744752 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc231744752 h 1 HYPERL

4、INK l _Toc231744753 1.1简介 PAGEREF _Toc231744753 h 1 HYPERLINK l _Toc231744754 1.2节流阀的用途2 HYPERLINK l _Toc231744755 1.3单向节流阀3 HYPERLINK l _Toc231744756 1.3.1孔口堵塞原因4 HYPERLINK l _Toc231744757 1.3.2减少孔口堵塞的措施4 HYPERLINK l _Toc231744758 1.3.3单向流量阀特点4 HYPERLINK l _Toc231744759 1.4节流阀历史研究成果6 HYPERLINK l _T

5、oc231744760 1.5国外采用CFD软件的液压阀研究现状7 HYPERLINK l _Toc231744761 1.6单向节流阀的未来发展8 HYPERLINK l _Toc231744762 1.7选题的目的和意义9 HYPERLINK l _Toc231744763 1.8本文研究内容10 HYPERLINK l _Toc231744764 1.9章节总结11 HYPERLINK l _Toc231744765 第二章单向节流阀的设计12 HYPERLINK l _Toc231744766 2.1单向节流阀的结构和工作原理： PAGEREF _Toc231744766 h 1 2

6、HYPERLINK l _Toc231744767 2.2单向节流阀面临的技术挑战： PAGEREF _Toc231744767 h 1 3 HYPERLINK l _Toc231744768 2.3解决方案和设计 PAGEREF _Toc231744768 h 1 4 HYPERLINK l _Toc231744769 2.3.1气蚀问题的解决方案 PAGEREF _Toc231744769 h 1 4 HYPERLINK l _Toc231744770 2.3.2漏电和拉丝腐蚀问题的解决方案 PAGEREF _Toc231744770 h 1 5 HYPERLINK l _Toc23174

7、4771 2.3.3振动、噪声、工作稳定性问题解决方案 PAGEREF _Toc231744771 h 1 6 HYPERLINK l _Toc231744772 2.4本章设计结果 PAGEREF _Toc231744772 h 1 7 HYPERLINK l _Toc231744773 2.5章节总结 PAGEREF _Toc231744773 h 1 7 HYPERLINK l _Toc231744774 第 3 章单向节流阀建模18 HYPERLINK l _Toc231744775 3.1 3D 建模介绍 PAGEREF _Toc231744775 h Solidworks 1 8

8、HYPERLINK l _Toc231744776 3.1.1 Solid Works 软件基本内容： PAGEREF _Toc231744776 h 1 8 HYPERLINK l _Toc231744777 3.1.2 Solid Works软件特点： PAGEREF _Toc231744777 h 1 9 HYPERLINK l _Toc231744778 3.2单向节流阀流路建模20 HYPERLINK l _Toc231744779 3.2.1单向节流阀部分腔流道模型20 HYPERLINK l _Toc231744780 3.2.2单向节流阀阀芯简化实体模型21 HYPERLINK

9、 l _Toc231744782 3.3章节总结21 HYPERLINK l _Toc231744783 第4章单向节流阀仿真22 HYPERLINK l _Toc231744784 4.1计算流体力学的特点22 HYPERLINK l _Toc231744785 4.2 Fluent软件介绍23 HYPERLINK l _Toc231744786 4.2.1 Fluent程序的结构 PAGEREF _Toc231744786 h 2 4 HYPERLINK l _Toc231744787 4.2.2 Fluent 程序可以解决的问题 PAGEREF _Toc231744787 h 2 5 H

10、YPERLINK l _Toc231744788 4.3单向节流阀仿真基础知识 PAGEREF _Toc231744788 h 2 5 HYPERLINK l _Toc231744789 4.3.1仿真的主要数值方法 PAGEREF _Toc231744789 h 2 5 HYPERLINK l _Toc231744791 4.4模型仿真 PAGEREF _Toc231744791 h 29 HYPERLINK l _Toc231744792 4.4.1单向节流阀主通道的啮合和流体分析 PAGEREF _Toc231744792 h 29 HYPERLINK l _Toc231744793 4

11、.4.2单向节流阀孔口开度为 4 mm 时的流道分析31 HYPERLINK l _Toc231744794 第 5 章 总结与展望 PAGEREF _Toc231744794 h 3 6 HYPERLINK l _Toc231744795 参考文献 PAGEREF _Toc231744795 h 3 7 HYPERLINK l _Toc231744796 至 PAGEREF _Toc231744796 h 4 0 HYPERLINK l _Toc231744797 附件一：英文科技文献翻译 PAGEREF _Toc231744797 h 4 1 HYPERLINK l _Toc2317447

12、98 附录 2：毕业设计作业 PAGEREF _Toc231744798 h 4 6.第一章介绍1.1 简介：社会的发展要求人类赖以生存的环境是安全、无污染、高度文明、优美的环境。因此，科学技术需要朝着安全、生态、艺术和环境系统优化的目标发展。自帕斯卡定理发明数百年来，液压以其防锈、润滑性好、粘度高等优点而得到广泛应用。人类以矿物油为液压系统的工作介质，创造了一代又一代由液压油驱动和控制的各种主机系统，为社会生产力的发展做出了巨大贡献。但是，液压系统的安全问题也凸显出来。液压系统中的节流阀是重要的液压元件，它可以调节液压系统的工作流量，保证整个液压执行器的安全。由于在实际工作中，泵提供的流量往

13、往大于工作流量，因此对于带有节流阀的系统，节流阀必须控制流入或流场执行器的流量，以控制元件的速度。造成很大的压力损失。本课题从改进和优化节流阀的分流道入手，通过流场数值分析的方法降低液压系统的分压损失，进而得到更为合理的分流道。本项目的目的是利用所学的流体力学、液压和控制方面的知识，为优化节流阀的流场做理论研究。本次设计的主要内容分为：原理部分、三维实体建模部分和流场分析部分。1.2 节流阀的用途：图 1-1 单向节流阀节流阀是重要的液压元件，主要用于改变相关阀口的通流面积，从而调节液压系统的工作流量，保证整个液压执行器的安全。节流阀主要用于油田钻井、油井测试、固井等高压管道。通过调节节流阀杆

14、来改变节流孔的面积，以达到调节管道压力和流量的目的。一、节流阀的性能要求：流量调节范围大，流量变化平稳；泄漏量小，如果有外泄油口，外泄量也应小；调节力矩小，动作敏捷。二、节流阀的分类及工作原理节流阀是一种通过改变节流截面或节流长度来控制流体流量的阀门。将节流阀与单向阀并联可构成单向节流阀。节流阀和单向节流阀是简单的流量控制阀。在定量泵的液压系统中，节流阀和溢流阀配合构成三个节流调速系统，即进油节流调速系统、回油回路节流调速系统和旁通节流调速系统。速度系统。节流阀没有负流量反馈功能，不能补偿负载变化引起的转速不稳定。一般只用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。具有节流功能的阀门按其功能分

15、为节流阀、单向节流阀、精密节流阀、节流截止阀和单向节流截止阀；根据节流口的结构，节流阀有针型、沉槽型、偏心槽型、锥阀型、三角槽型、薄刃型等；节流阀按其调节功能可分为简易型和可调型两种。1.3 单向节流阀：单向节流阀根据油液流向的不同可作单向阀或节流阀。它主要由调节杆、推力、阀体、阀芯和弹簧组成。轴向三角槽型。但有时，为了分析节流阀的流场，可以将节流口和节流流道简化，简化建模，以方便分析计算。1.3.1 孔口堵塞的原因（1）油中的机械杂质或氧化析出的胶体、沥青、碳渣等污染物在节流间隙内积聚；(2)由于油品老化或被挤压后产生带电的极化分子，加之节流间隙金属表面存在电位差，极化分子被吸附到间隙表面形

16、成牢固的边界吸附层。厚度一般为5-8微米，影响节流间隙的大小。当上述堆积物和吸附物堆积到一定厚度时，它们会被液流冲走，然后重新吸附到阀口。这样就形成了流动的脉动；（3）阀口压差较大时，由于阀口温度高，液体的挤压程度增强，金属表面更易摩擦形成电位差，所以在压差大时容易造成堵塞。1.3.2 减少孔口堵塞的措施(1)选择水力半径大的薄边孔板；（2）精密过滤，定期更换油品；(3)适当减小孔板前后的压差；使用电位差小的金属材料和氧化安定性较好的油，以降低孔口的表面粗糙度。1.3.3 单向节流阀特点(1)结构比较简单，制造维修方便，成本低；(2)调整精度不高，不能用于调整；（3）密封面易被侵蚀，不能用于截

17、断介质；(4)密封性能差。节流阀按通道方式可分为直通式和角式两种；按启闭件的形状分为针形、槽形和窗形三种。节流阀的安装和维护应注意以下事项：阀门经常需要操作，应安装在方便面操作方便的位置；安装时注意介质方向和阀体上标明的箭头方向。为保证流量稳定，孔口的形式以易薄壁、小孔为理想。以下是几种常用的节流形式：针阀式节流孔，通道长，湿周大，易堵塞，流量受油温影响大。一般用于性能要求不高的场合。偏心槽型孔板与针型孔板性能相同，但制造容易。其缺点是作用在阀芯上的径向力不平衡，转动阀芯比较困难。适用于对流量大、流量稳定性要求不高的场合。轴向三角槽式节流孔结构简单，水力直径中等，可获得较小的稳定流量，调节范围

18、大，但节流通道有一定长度，油温变化对流量有一定影响。被广泛使用的。周向狭缝式孔口沿阀芯圆周有不同宽度的槽口，可通过转动阀芯来控制开口的大小。阀口做成薄叶片状，通道短，水力直径大，不易堵塞。轴向狭缝式孔口，如图所示的薄壁阀口加工在阀孔的衬套上，通过阀芯的轴向移动可以改变开口的大小。在液压传动系统中，节流元件和溢流阀与液压泵出口并联，形成恒压油源，使泵出口压力恒定。节流阀和安全阀相当于两个并联液阻。液压泵的输出流量保持不变。通过节流阀进入液压缸的流量和通过溢流阀的流量由节流阀和溢流阀决定。流量阀的液体阻力由相对尺寸决定。节流阀型是通过大面积改变液体阻力来调节流量的元件。因此，可以通过调节节流阀的液

19、体阻力来改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度；但是，如果回路中只有一个节流阀，而没有与之并联的安全阀，则节流阀将被节流。阀门不起到调节流量的作用。液压泵输出的液压油全部通过节流阀进入液压缸。改变节流孔的大小只会改变节流口的压降。节流阀小，流速快；节流阀大，流量慢，总流量恒定，所以液压缸的运动速度不变。因此，使用节流元件调节流量是有条件的，即需要一个接受节流元件压力信号的环节（溢流阀或与其并联的恒压变量泵）。通过这个环节，可以补偿节流元件的流量变化。节流阀的刚性表示其抵抗负载变化干扰并保持流量稳定的能力，即在节流阀开度不变的情况下，由于压差的变化，通过节流阀的流量发生变化。阀的前后之间

20、。流量变化越大，节流阀的刚性越大；相反，它的刚性越小。1.3.4 节流阀的压力和温度补偿由于普通节流阀的刚性较差，在一定节流开度的情况下，通过它的工作流量受工作负载（即其出口压力）变化的影响，不能保持节流阀的稳定性。执行器的运动速度，因此它只适用于工作负载。当变化较小，速度稳定性要求不高时，很难避免负载的变化。为了提高调速系统的性能，通常对节流阀进行压力补偿，即采取措施使节流阀前后的压差在负载中发生变化。始终保持不变。节流阀的压力补偿有两种方式：一种是将固定差压减压阀与节流阀串联，组成调速阀；另一种是将稳压溢流阀并联，构成溢流阀。流量阀。这两种压力补偿方式都是利用流量变化引起的油路压力变化，通

21、过阀芯的负反馈作用自动调节节流部分的压差，使其保持不变。对节流阀液压传动系统的主要要求是：1）流量调节范围大，流量调节要均匀； 2）当阀门前后压差变化时，通过阀门的流量变化不大。保证负载运动的稳定性； 3）油温的变化对通过阀门的流量影响不大； 4）油液通过安全阀的压力损失小； 5）当阀口关闭时，阀门的泄漏量小。1.4 单向节流阀的历史研究成果及应用单向节流阀的研究内容主要包括理论研究、实验研究和数字仿真。国外于1960年代初开始研究单向节流阀。它经历了定性和定量研究阶段。单向节流阀广泛应用于液压控制系统的调速和延时回路中。它可以用作单向阀和节流阀。稳态液压动力是影响单向节流阀性能的关键因素之一

22、，不仅决定了换向阻力，也影响着单向节流阀的精确控制。节流阀主要用于油田钻井、油田测试、固井等高压管道。通过调节节流阀杆，改变节流孔的面积，达到调节管道内压力和流量的目的。因此，其性能直接影响油田节流作业时的人身安全和工作效率。研究结果分析了高压节流阀的故障，指出了单向节流阀的各种故障模式，并且随着CAD/CAE技术的发展，特别是计算流体动力学技术的发展，节流阀数值流场仿真已成为优化节流阀设计的重要手段。节流部分的气蚀是液压控制元件中最主要的噪声源。目前，对油基液压元件和系统中的流场和空化现象的深入研究较少。液压元件的阀口形状复杂、体积小、压差大、流速高，使得从气泡的微观层面研究液压元件的汽蚀非

23、常困难。目前，研究人员已经利用湍流模型模拟了液压阀口高速流场的速度和压力分布，结果已通过实验得到验证。同时，对阀腔压力分布、气蚀与噪声的关系进行了研究。发现阀口压力最低的区域出现在节流边缘附近，这是由于流束转向和流体分离造成的。背压直接影响阀腔的压力分布，也决定了腔泡的形状和噪声级的大小。因此，在实际的液压阀中，可以通过检测阀的流体压力来预测可能发生气蚀的区域。此外，在设计阀门流道时，可以通过优化结构和参数来减少低压区，从而控制空化的产生和发展。该研究对节流阀的结构设计和系统气蚀噪声的防治具有重要的参考价值。1.5 国外采用CFD软件的液压阀研究现状针对一般液压阀元件流场的数值模拟和仿真研究，

24、国外学者对液压阀的流场和特性做了大量的研究工作，为进一步发展和改进液压阀元件提供了建议。液压阀的性能。坚实的理论基础。大岛茂；蒂莫莱诺等人。对比分析了水提升阀和油提升阀的特性，详细给出了不同压差下孔口处的压力变化、流量系数和质量流量变化。曲线图与阀芯上的压力分布图，对理论研究和数值模拟都有很好的参考。M.Borghi, Milani使用CFD软件FIDAP 7.07 分析了安全阀在 0.4、0.7、1.0和 1.2 mm固定开度下的压力分布、速度分布以及流量、压力和压差曲线。通过对阀芯表面压力积分计算阀门的稳态水动力，并根据公式估算出瞬态水动力与稳态水动力的比值。村义成等人。采用实验方法对提升

25、阀的静动态特性进行了详细研究； M. Kipping分别使用三种不同的介质对液压滑阀流场进行了实验和数值分析； M. Dietze用不同的二维和三维模型对不同锥角下的液压阀进行了数值模拟，结果与实验结果基本一致。Priyatosh Barman对 3D 滑阀模型进行了模拟研究。指出当滑阀的流量大、压差大时，可能会在阀件流通区域形成汽化，在阀体和阀体表面可能形成气蚀。泡沫破裂时的核心。使用STRA-CD流场模拟软件进行两相流模拟。给出了阀门流场的压力分布、速度分布和气体体积分布。这对于优化滑阀的阀腔结构，防止汽蚀的发生具有一定的指导意义。西南交通大学的王国志利用三维流体分析软件对液压滑阀的流动状

26、态和阀芯受力进行了数值计算，并对可视化的图形图像和计算结果进行了分析研究。滑阀阀芯上的液压力，理论上很难计算，通过数值计算和可视化研究可以很容易地得到。仿真计算得到的可视化结果与理论数据基本一致，为液压滑阀的设计提供了依据。燕山大学高殿荣教授首次将有限元方法应用于液压技术中的各种异形流道，对液压歧管中复杂的流道、滑阀和提升阀流场进行了数值模拟，还来自流体力学。从连续性方程和Navier-stokes方程出发，根据流动函数与涡量和流速的关系，推导出以流动函数和涡量w为变量的NS方程的变形公式，它是无量纲的。改变。大学王林祥利用湍流模型的k-二方程模型和有限体积法对滑阀通道内的流体流动进行了数值分

27、析。化工大学的景晶解释了水锤现象产生的原因，并通过改进阀芯结构来降低水锤对液压阀寿命的影响。大学纪宏通过理论分析、流场模拟、压力分布测量等相结合，发现通过等截面截面形成二次节流或使用大楔角可以有效消除空化和噪声。科技大学王芳利用AutoCAD和UG软件，根据先导阀的实际结构和参数，结合数学模型计算的可行性，建立了阀门的二维和三维几何模型.网格由FLUENT预处理软件GAMBIT划分。两种模型流场的稳态数值模拟均在FLUENT软件中进行。1.6 单向节流阀的未来发展目前，液压系统及部件的设计分析方法都是基于半经验的方法。一些理论公式经过多方面的简化，一些实际问题难以解释和处理。问题。在理论分析中

28、，很多外部因素都没有考虑到，很多因素不断地影响着液压控制元件，也不断地困扰着研究人员在液压控制元件的理论分析和研究中。例如压差对节流阀流量的影响、温度对节流阀流量的影响、节流阀孔口的堵塞、节流阀孔口与阀口的气蚀现象节流阀的漏油和节流阀结构改进等问题。因此，先进的科学技术研究并克服了上述技术问题。随着计算机科学技术的飞速发展，研究人员逐渐开发出一系列流体分析软件，应用CFD方法，利用Fluent流体软件和ANSYS有限元分析软件，进行单向结构应力和差压流动分析。节流阀通过各方面的仿真分析，对液压元件的实际运行情况进行了准确的计算和分析，掌握了大量的液压元件运行仿真和优化设计、结构改进的信息。 .

29、因此，各种更先进、更节能、更优化的液压控制元件相继问世，为现代工业发展提供了更好的动力。随着高压、高速、大流量、高效液压系统的发展，对节能、低噪音、环保型节流阀的研究也越来越多。从环保的角度来看，对液压控制元件的质量提升也有积极的推动作用，并逐步取得实质性突破。1.7 选题的目的和意义20世纪是流体传动与控制技术逐渐成熟的时代。随着现代科学技术的飞速发展，它不仅可以作为一种传输方式，还可以作为一种控制方式，充当现代微电子技术与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一部分。 .重要的技术手段。能量转换、动力传动与传动控制仍是21世纪全球经济的重要组成部分，流体传动与控制技术在其中

30、仍发挥着极其重要和积极的作用。液压阀对流体的控制是通过流体的流动来实现对执行机构动作的控制，它是基于阀内流体流动的运动学和动力学。阀门的流体和固体部分之间的动态联系，以提高阀门性能。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CFD方法对液压阀的流场进行模拟计算和可视化分析已成为液压技术领域新的研究热点。而流道的优化具有重要的现实意义。当液体流经液压阀的阀腔和阀口时，由于液体流速的变化，液压力会作用在阀芯上。液压控制阀的操作力必须能够克服阀门的各种阻力，包括惯性力、摩擦力、弹簧力和水动力，其中水动力占的比例最大。液压动力不仅影响阀门的操作力，还可能引起阀门的自激振动，影响整个系统的稳

31、定性和可靠性。它是设计和分析液压控制阀和液压系统的重要因素之一。利用各种流场数值计算方法对阀门的流场进行数值计算，从而准确计算出水力是近年来阀门水力研究的热点。水力补偿提供了理论依据。目前对3D模型的研究只是模拟了开度固定时阀芯的流场特性，对阀芯运动过程中的阀流场规律和特性的理论分析较少。液压动力是液压控制阀设计和分析的重要因素之一。在国外的研究中，大部分研究是关于稳态水力的机理和理论计算公式的推导。还提出了许多对稳态液压功率的有效补偿。措施。关于阀门瞬态水力的研究较少，尚未找到统一的理论计算公式。本文主要研究高水基节流阀的流场特性。采用流场数值模拟和可视化方法进行分析。有必要研究节流阀流场的

32、流动特性和受力特性及其影响因素，确定阀门所承受的稳态水动力的大小。领域，找出阀门结构中的薄弱环节，分析阀门的性能，为此类节流阀的优化设计提供可靠的理论依据。这样可以降低实验研究的成本，缩短早期研发周期，加快高水基技术的发展，提高阀门的使用寿命和工作性能，提高阀门的流通能力，减少泄漏和压力损失，改进加工工艺设计，解决节流阀存在的一些主要问题，具有一定的指导意义；对保障高水基介质输送液压支架整个电液控制系统，保障煤矿安全高效生产具有重要的现实意义。1.8 本文研究内容对液压元件的流场进行了数值模拟，并利用CFD软件开展了本课题的模拟研究。根据所研究的侧重点，确定研究对象的初始状态。根据所研究的侧重

33、点，确定研究对象的初始状态。SolidWorksSolidWorks确定参数特征，即具体尺寸。确定参数特征，即具体尺寸。易于修改机构的参数化建模参数，例如开口变化、流道属性、阀门结构等变化，造型简单快捷。Gambit可直接从CAD/CAE系统读取Gambit数据，具有灵活便捷的几何校正功能强大而强大的网格划分工具。Fluent对导入的网格进行仿真分析。用户Fluent可根据您的特殊需求定制UDF ，自定义特殊边界条件，真实有源网格等 自适应网格可用根据流场的特性对网格进行局部细化。.本次设计的主要内容包括：1、单向节流阀的结构设计；2、单向节流阀流路分析；3、转轮流场模拟分析；4、单向节流阀三

34、维造型图；5.毕业论文。1.9 本章小结本章主要介绍课题研究的背景和意义，分析当前单向节流阀的主要方向，给出单向节流阀面临的主要技术问题并提出基本解决方案，确定问题这个主题的。采取的主要工作和技术路线。本章重点分析了节流阀的结构、特点、应用和发展方向，提出了现代科学技术特别是计算机科学技术和流体分析软件的发展和应用，以及节流阀的发展和应用。单向节流阀。技术等方面的改进起着至关重要的作用。同时，在现代先进科学技术的支持下，我们也对单向节流阀的发展提出了各种良好的期望和愿景。.第二章单向节流阀设计2.1单向节流阀的结构及工作原理：单向节流阀根据油液流向的不同可作单向阀或节流阀。它由弹簧组成，节流通

35、道呈轴向三角槽形式。单向节流阀的工作原理如下：图2-1 单向节流阀结构示意图假设外界（液压泵或液压阀）输出的液压油从Pj1口流入，产生的油压作用在阀芯左端面，克服作用在阀芯上的复位弹簧的阻力，推动阀芯向右移动，并打开接头。流量阀口，油通过径向孔从口Pj2流出。当油液从油口 Pj1 流到油口 Pj2 时，油液不受节流，可以自由循环。此时单向节流阀主要起到单向阀的作用。假设外界（液压泵或液压阀）输出的油液从Pj2口流入节流阀，则需要手动调节调节杆以克服弹簧作用在阀芯上的阻力，使阀芯轴向移动并打开阀口。此时，油液通过三角槽和阀芯上的孔从通道口Pj1流出。通过改变节流口三角槽的流通面积来改变液体阻力，

36、控制通过节流阀的流量，实现微量调节。当油从油口 Pj2 流到油口 Pj1 时，油必须节流，不能自由流动。此时单向节流阀主要起到节流阀的作用。2.2 单向节流阀研究面临的技术挑战：1.腐蚀和腐蚀磨损问题由于介质的强腐蚀性，节流阀所用的材料应具有较强的耐腐蚀性能。对于中间主阀口、节流阀口和主阀导向面，腐蚀和磨损同时存在，两者相互促进，会加速零件的失效。显然，单向节流阀的材料很难满足腐蚀和腐蚀磨损的要求。2.气蚀问题当流体通过孔口的喉部时，根据伯努利方程，那里的压力会降低。如果压力低于液压油工作温度下的空气分离压力，溶解在油中的空气会迅速大量分离出来，变成气泡。当这些气泡流向压力较高的下游部分时，由

37、于不能承受高压而爆裂，造成局部液压冲击、噪声和振动。当附着在金属表面的气泡破裂时，局部产生的高温高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴。这种腐蚀的痕迹可以在孔口的下游找到。这种现象称为空化。根据工作介质的不同，单向节流阀可分为气体空化和汽化空化两种。由于液压油的汽化压力很低，而空气在液压油中的溶解度很高，所以液压阀的汽蚀主要以气蚀为代表。相同条件下，空气在水中的溶解度约为液压油的20倍，水的汽化压力（ 50时为12kPa ）是液压油（50时为1.0mPa ）的10倍) .主要作用是汽化空化。液压阀与液压阀的汽蚀性质不同，决定了它们的危害比液压阀更严重。当阀门的工作压力较高时，主阀口

38、和先导阀口会在很大的压差下工作，使阀口的流量很高，容易发生汽化和汽蚀。3.拉丝侵蚀和渗漏问题在单向节流阀中，高速流体会对配合面产生强烈的冲刷作用，久而久之，零件表面会形成丝状槽，称为拉丝冲刷。当高速流体携带污染物颗粒时，它们的破坏性影响会大大加剧。主阀口、节流阀口和主阀芯的导向面都是容易发生泄漏和拉丝腐蚀的零件。4.振动、噪音和工作稳定性问题由于介质的压力冲击，单向节流阀容易产生水锤。噪音会给工作环境带来噪音污染；振动会导致节气门表面损坏，导致节气门静态性能下降、控制压力不平衡等后果，进而加剧振动和噪声。因此，节流阀的振动和噪声对单向节流阀的工作性能、可靠性和使用寿命有很大影响。2.3 解决方

39、案与设计针对上述单向节流阀的关键技术问题，设计了以下解决方案。2.3.1 气蚀问题的解决方案节流阀的气蚀程度可以用气蚀系数来表示。 越大，空化现象越严重。 的表达式为(2-1)式中，为节流阀入口压力；是节流阀的出口压力；是饱和蒸气压。为了减少气蚀的发生及其危害，应尽可能小。由式(1)可知，要减小d ，只能降低入口压力或提高出口压力值。该方法的实际应用是将单节流阀口设计成两级节流阀口的形式，则各级阀口的空化系数分别为(2-2)(2-3)式中，是两个节流阀口之间的压力。与单级阀口的汽蚀系数 相比， 和 ，分别由于出口压力的增加和入口压力的降低而减小。比较典型的例子是日本的两级设计：扁平节流阀口的形

40、式和芬兰使用的两级提升阀式节流口（如图2-1所示）。图 2-2 两级提升阀节流口在本设计中，单向节流阀主要采用以下措施解决气蚀问题：只要压力低于空气分离压力，液压系统中的任何地方都会出现气穴现象。为了防止汽蚀的发生，必须防止液压系统中的压力过分降低。具体措施如下：(1)合理设计阀口的形状和结构参数阀芯和阀座的形状和结构参数与气蚀密切相关。为了减少气蚀，单向节流阀的阀口在结构上主要具有以下特点： 主阀芯采用圆弧平端锥阀结构。与锥形和球形提动阀结构相比，平端提动阀（截锥）更耐气蚀。 主阀锥角小，阀芯锥角大于阀座锥角。对于流出锥阀，锥角较小时，由于流体的收缩小，出口压力较高，不易发生汽蚀。由于最低压

41、力一般在缩颈附近，流速高，当阀芯锥角小于阀座锥角时，气蚀发生在阀口处，反之则发生在下游阀口的。实验研究表明，当阀芯锥角小于阀座锥角时，阀口更容易发生气蚀和流量饱和。 主阀口采用阶梯式二级孔板结构（如图2-2所示）。实验研究表明，该结构在开度较小时承受阀口各级压力差，因此可以减少气蚀。图 2-3 两级节流主阀口(2)选择硬度高的材料提高材料的硬度不仅可以大大增强材料的抗气蚀性能，而且有助于提高材料的抗流体冲刷能力。一般来说，阀芯的气蚀损伤比阀座严重，所以在选择阀芯和阀座的材料时，通常阀芯材料比阀座硬。鉴于奥氏体不锈钢不能通过热处理提高硬度，阀芯材料可以采用热处理强化的沉淀硬化不锈钢、工程瓷或马氏

42、体不锈钢；阀座可用铜基合金制成，以增加零件的机械强度，改善零件的表面质量等。2.3.2 漏电和拉丝腐蚀问题的解决方案本设计在结构上采取以下措施：(1)在主阀芯和主阀套之间加一个组合密封加装密封件后，对主阀芯的摩擦增大，对阀门的静性能略有影响，但可以减少泄漏，防止拉丝冲蚀损坏。值得指出的是，如果主阀芯与主阀套之间的泄漏量过大，会削弱节流阀对主阀的控制作用，从而大大降低阀的静态性能。(2)在阀口处选择硬度合适的材料配对材料的硬度越高，抗拉丝侵蚀的能力越强。因此，一方面应尽可能提高阀芯的硬度，阀芯与阀座的硬度差不应低于HRC15 ；使用特定的压力之间。2.3.3 振动、噪声和工作稳定性问题的解决方案

43、许多学者对节气门噪声产生的原因进行了相应的分析和研究。综上所述，节气门产生振动和噪声的主要原因如下：(1)当节流阀打开时，由于稳态液压力的不平衡横向分力而发生振动。主要原因有：阀座孔出圆度误差，使节流阀芯与阀座接触不良，周向张开。流通面积不一致，造成阀芯极化； 弹簧端面不平整，或弹簧与弹簧座的装配间隙设计不当，使弹簧力偏离阀芯中心线，造成阀芯极化。(2)气蚀发生气蚀时，气泡破裂会产生高频噪声；另一方面，气泡破裂产生的冲击波会引起阀芯振动。(3)自激振荡噪声节流阀为弹簧质量系统。当阻尼较小时，由于自激振荡而发出高频颤动声。(4)通过阀口的高速液流与周围液体之间产生剪切流和涡流，产生噪声。(5)主

44、阀导向面泄漏量过大，节流阀口节流不足，造成节流阀阀芯摆动。针对液压节流阀的振动、噪声和工作稳定性，相关文献提出了多种解决方案，如减小提升阀的半锥角、减小提升阀前腔的体积、为节气门的前腔增加减振。垫或防振塞等，但这些措施并不能从根本上解决节气门的问题。本文在节流阀部分设计了一种新型结构，即在节流阀芯尾部设置阻尼开口宽度。一方面，节流阀芯与节流阀体的导向配合面可以减少因节流阀芯径向力不平衡而引起的极化；另一方面，当节流阀芯移动时，阻尼开度的压力发生变化。增加了阀芯的运动阻尼，提高了单向节流阀的工作稳定性。.2.4 本章设计成果该图是在前人努力的基础上优化得到的简化模型图：图2-4 单向节流阀部分流

45、道简化模型2.5 章节总结本文分析了单向节流阀的关键技术问题，从材料和结构两个方面加以解决。结构上，主要采用固定节流孔和二级节流主阀口，以减少汽蚀；阀芯增加组合密封，减少泄漏和拉丝侵蚀；使用节流阀芯的尾端。设置阻尼腔以抑制振动和噪音，提高节流阀的工作稳定性。.第三章单向节流阀建模3D建模简介SolidworksSolid Works 是一套机械设计自动化软件，使用熟悉的 Microsoft Windows 图形用户界面。使用这套易于学习的工具，机械设计工程师可以快速勾勒出他们的设计理念，试验特征和尺寸，并创建模型和详细的工程图纸。3.1.1 Solid Works软件的基本内容：(1) Sol

46、id Works 模型由零件、装配体和图纸组成。(2)通常，您从草图开始，然后生成基本特征并向模型添加更多特征。 （您也可以从导入的曲面或几何实体开始。） (3)您可以随意添加、更改和重新排序特征，以进一步完善您的设计。 (4)由于零件、装配体和工程图之间的相关性，当其中一个视图发生变化时，另外两个视图也随之自动变化。(5)您可以在设计过程中随时生成图纸或装配体。 (6) Solid Works 应用程序内容您自定义功能以满足您的需要。 (7)单击主菜单栏上的工具、选项，显示可用的系统选项和文件属性标签。 (8) Solid Works 应用程序可以为您保存您的工作。 (9)自动恢复选项可以自

47、动保存活动零件、装配体或图纸文件的信息，使系统崩溃时数据不会丢失。要设置此选项，请单击工具、选项。在“系统选项”选项卡上，单击“备份”并选择“每 (n) 次更改保存自动恢复信息”。指定在自动保存信息之前应发生的更改次数。3.1.2 Solid Works软件特点：（1）首款在Windows操作系统下开发的CAD软件，采用Windows系列，与Windows系统完全兼容。它是Windows的OLE/2产品。(2)菜单少，使用直观，简单，界面友好。 Solid Works中只有 60 多个命令，其他所有命令与Windows命令相同；下拉菜单一般只有两层（第三层不超过5层）；图形化的菜单设计简洁明了

48、，非常直观，一眼就能看出来。系统的所有参数设置都集中在一个选项（ option ）中，便于查找和设置。动态引导是智能的，一般不需要用户修改。特征树是独一无二的。实体和光源都可以在特征树中找到，操作特征非常方便。装配约束的所有概念都非常简单易懂。实体的建模和组装完全符合自然 3D 世界。实体的放大、缩小和旋转都是透明的命令，可以在任何命令过程中使用。实体的选择非常简单方便。(3) 数据转换接口丰富，转换成功率高。 Solid Works支持的标准有： IGES、DXF、DWG 、 SAT（ACSI）、STEP、STL、ASC或二进制VDAFS（VDA ，专用于汽车行业） 、VRML、Para S

49、olid等，并与CATIA, Pro/Engineer, UG, MDT, Inventor等Solid Works 与 I-DEAS, ANSYS, Pro/Engineer, AutoCAD等之间的数据传输非常成功和顺畅。(4) 独特的配置功能Solid Works内容创建具有多种不同配置（Configuration）的零件，这可以大大节省设计通用零件或形状相似零件的时间。(5) Feature Manager属性管理器(Property Manager)是Solid Works独有的技术，在不占用绘图区空间的情况下实现零件的操纵和拖动等操作。(6) 自顶向下装配设计技术( top-to-

50、down ) 目前只有Solid Works提供自顶向下装配设计技术，使设计人员在设计零件和毛坯时能够捕捉零件之间的设计关系，在设计新零件时装配体，并编辑现有零件。(7) 缩放技术可以使模具零件在X、Y、Z方向具有不同的收缩率，从而获得模具型腔或型芯。(8)曲面设计工具 借助Solid Works ，设计人员可以创建非常复杂的曲面，例如：将两个或多个模具曲面混合成复杂的分型面。设计师还可以修剪、延伸、圆形和缝合表面。3.2 单向节流阀流路建模本文的重点是对流道的流场进行分析研究，进而对流道进行优化以获得更合理的分流场。根据前人的设计经验，我首先对节流阀的工作原理模型进行了分析，并在此基础上进行

51、了优化，从而获得了结构优化、分流道优化、性能良好的单向接头。流量阀模型。由于本文主要对单向节流阀的流场进行分析和优化，因此必须对节流阀的结构和尺寸进行相对优化，以便更好地利用边界条件和阀门的简化结构。 ，从而更好、更合理地分析单向节流阀的分流场。下面就为大家介绍一下单向节流阀的简化腔体和阀芯。3.2.2 单向节流阀空腔实体建模下图为简化的单向节流阀零件腔流道模型图3-1 单向节流阀腔流道模型效果图.3.2.2 单向节流阀阀芯的简化实体建模下图为单向节流阀阀芯的简化模型图3-3 单向节流阀阀芯简化模型效果图3.3 本章小结本章主要使用三维软件对单向节流阀的零件腔体和零件阀芯进行建模。一开始以为应

52、该对整个单向节流阀进行系统具体的建模，后来发现只有对节流阀的流道进行简化建模才能更有利于后续的流量数值模拟场地。分析。在建模过程中，我不断尝试对各种节流形式进行建模，并选择了最优化的建模方法，这样更有利于后续的流体分析，只有单向节流阀的部分流道经过简化，可以更准确地分析流场。.第四章单向节流阀仿真4.1 计算流体力学的特点任何流体运动的定律都基于能量守恒定律、动量守恒和质量守恒定律三个定律。这些基本规律可以用积分或微分来描述。将这些积分或微分替换为离散的代数形式，使积分或微分形式成为方程或方程，然后借助电子计算机求解方程或方程，从而得到离散的流场数值时间或空间解开。这种方法称为计算流体动力学（

53、CFD），又称流场数值模拟、数值计算、数值模拟。研究流体力学的方法一般有实验研究、理论分析和数值模拟。随着计算技术的发展，计算流体力学自1960年代以来形成了一个独立的学科分支，成为研究流体运动规律和解决许多实际工程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，计算流体动力学的飞速发展。它翻开了流体力学发展的新篇章，成为当今最活跃的研究领域之一。计算流体动力学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或非简化的流体动力学基本方程，得到各种条件下的流场数据以及对周围流动的影响。对物体施加力和热。CFD 模拟的目的是帮助理解流体流动，建立理论

54、和模拟的数学模型，支持设计过程并在工程中做出决策。模拟的目的是对流场进行预测和获得知识，从理论上预测来自数学模型的结果，而不是来自实际的物理模型。数学模型主要由一组微分方程组成，其解是 CFD 模拟的结果。流体力学基本方程中的微分项和积分项包括时间、空间和物理变量。为了用离散的代数形式替换这些积分或微分项，必须对时空变量和物理变量进行离散化。空间变量的离散化对应于将解域划分为一系列格，称为单元或控制体积。所谓数值解是流动的物理变量在这些离散点或控制体中的一定分布，它们对应于数值表达的流体力学方程的近似解。可以看出，CFD得到的不是传统意义上的解析解，而是大量的离散数据。这些数据对应于流体力学基

55、本方程的近似数值解。作为一种研究工具，计算流体动力学具有其独特的优势。计算流体动力学是设计流体相关动力学系统的重要工具。与实验研究相比，具有成本低、速度快、数据完整、能模拟真实和理想条件等优点。将计算流体动力学与液压阀等基础理论相结合比使用实验可视化方法更容易、更直接、更经济。在初步设计阶段，利用计算流体力学可以快速进行各种方案的技术可行性分析和筛选。与实验阶段相比，更省时、更经济。在某个方案的具体设计阶段，计算流体力学更便于优化设计。综上所述，在工程设计中使用计算流体动力学，不仅可以获得对局部结构的良好预测，降低和规避风险，而且可以花费更少的时间和金钱来获得性能优化。此外，计算流体动力学可以

56、方便灵活地改变初始条件、边界条件和几何边界条件，并且可以直接得到基本方程的解，可以得到整个流场中任意点的细节，并给出流动场包括力、速度、密度、温度等所有详细数据，可以轻松识别一些关键参数的影响，探索力学现象相互作用的结果和规律，研究流动非常方便机制。例如，在液压技术的转轮流场中，可以通过研究液压元件的压力分布、流线的方向、研究流场中的涡流和空化来优化转轮的结构。湍流模型。和改造。过去，计算流体动力学只是研发部门专家使用的工具。现在计算流体动力学技术已广泛应用于工业生产和设计部门。CFD方法对流体流动的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性质的数学模型，具体而言，需要建立反

57、映问题各量之间关系的微分方程和相应的定解条件，这是研究问题的出发点。数值模拟。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，以及这些方程对应的定解条件。(2)寻求高效、高精度的计算方法，就是建立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和求解方法，还包括贴体坐标的建立和边界条件的处理。这些内容是CFD的核心。(3) 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、控制参数的设置。这是整个工作中最耗时的部分。（4）显示计算结果计算结果一般以图表等方式显示，对于检查和判断分析质量和结果具有重要的参考意义。

58、以上步骤构成了CFD数值模拟的全过程。4.2 Fluent 软件介绍过去， CFD只是研发领域专家使用的工具，而现在CFD技术已广泛应用于工业生产和设计领域。本课题采用CFD软件Fluent对流场进行模拟分析。Fluent软件可以根据用户的需求和流动的各种物理问题的特点，使用不同的离散格式和求解算法，并可以使用单精度和双精度计算，以达到最佳的计算速度、稳定性和精度。 .它的设计基于CFD软件组的概念。 Fluent结合了不同领域的计算软件，软件可以方便地交换数值，采用统一的前后处理工具，为研究人员节省了计算方法。投入在编程、前后处理等方面的重复性低效劳动，主要精力和智慧都花在了对物理问题本身的

59、探索上。4.2.1 Fluent 程序结构Fluent程序包主要由以下几部分组成：(1) Gambit - 用于构建几何和网格生成。(2) Fluent 执行模拟计算的求解器。(3) PrePDF用于模拟燃烧过程。(4) TGrid用于从现有边界网格生成体积网格。(5) Fliters 转换其他程序生成的网格。通常，Gambit 的专用预处理器用于网格划分。对于二维流，可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，可以生成四面体、六面体、三角柱、金字塔等网格。结合具体计算，还可以生成混合网格。其自适应功能包括三角形和四面体等距自适应网格，以及悬挂节点自适应网格功能，可以对网格进行细分或粗化，或产生不

60、连续性。网格、可变网格和滑动网格。对于给定的精度，自适应细化方法使网格细化方法非常简单，并且减少了计算量，并且可以根据自己的需要对网格进行局部细化，例如几何模型的特点或流动的结果场分析。Fluent求解器具有良好的人机界面，单位转换具有很大的灵活性。有限体积法被用作求解NS方程的方法。流动模型可选，如Spalart - Allmaras粘性涡模型，包括标准k- 模型、可实现k-模型和RG k-模型、两种k-模型、雷诺应力模型、大涡每个物理问题的流点都有合适的数值解，用户可以选择显式或隐式差分格式，从而优化计算精度、即时性和精度。在后期处理方面，Fluent自带的后期处理功能非常强大。得到的结果