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1、液 动 力,PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载： PPT背景图片： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： PPT课件下载： 范文下载： 试卷下载： 教案下载：,组员： 李 波 唐 田 王 文 郑 忠 付 虹 赵得成 刘 洋,液动力是什么,01,计算液动力的必要性,02,液动力仿真,04,如何消除液动力,05,讨论,06,液动力的分析计算,03,1.什么是液动力 主讲人：李波,什么是液动力,工作介质,液体动力学：研究水及其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科,以液压系统为例,液压油,能量的传递,液动力

2、本质：液体对固体作用的压力，并不存在一个额外的“液动力”,什么是液动力,帕斯卡定律：同一腔的液体对固体壁面的压力处处相等,伯努利方程 ： 动能+重力势能+压力势能=常数,修正量,什么是液动力,来源：液体流经阀口时，由于流动方向与流速的变化，使 阀芯受到的流体的作用力。,动量公式Ft = mv，从公式可以看出，流体动量的改变伴随着力的作用。反过来阀芯也受到了流体的作用力。 锥阀也是如此,A B,什么是液动力,分类 阀开口度一定，液动力为稳态液动力 阀开口度变化，液动力为瞬态液动力,稳态液动力,瞬态液动力,影响阀芯运动，是阀工作不稳定的重要因素之一,什么是液动力,计算方法： 动量法 和 计算流体力

3、学法,动量法：适用于无法得到速度、压力实际分布状态的精确数学表达式 的情况 优点：是可以避免寻找壁面压力分布数学表达式,计算流体力学法,以计算机做为模拟手段，运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解,什么是液动力,国内外研究状况,国内 （1）针对阀所受的稳态液动力的大小和方向进行研究 （2）研究液动力对控制的影响，以及如何通过改变阀口的形状等措施来减少所受的液动力,国外 （1）研究流场内部可能出现的状况和内部流场对控制的影响,相同方法,采用流体仿真软件如CFD,2.液动力的必要性 主讲人：唐田,弹簧力 电磁力 液压不平衡力 稳态液动力 摩擦力（含液压卡紧力）,稳态和非稳态时阀芯

4、受到哪些力,稳态时：,计算液动力的必要性,瞬态液动力 惯性力,非稳态时：,液压卡紧力,计算液动力的必要性,滑阀形状误差 同心度变化,径向不平衡液压力,阀芯与阀套产生接触,卡紧力的产生：,（1）高压、大流量时，阀芯稳态液动力和液压卡紧力可达数百至数千牛，对阀芯的运动造成极大的阻碍； （2）液动力是影响液压阀性能的关键因素之一，不仅决定换向阻力，也影响阀的精确控制、响应特性。,计算液动力的必要性,因此，对阀芯液动力的准确计算和有效补偿，是提高大流量液压控制阀及其系统操作舒适性、可靠性、安全性及节能的关键环节之一； 分析作用在滑阀阀芯上的各种力的性质和产生根源，以便在设计时消除或减弱其不利影响； 计

5、算操纵滑阀阀芯运动所必须的拖动力，为设计操纵元件提供依据。,计算液动力的必要性,计算液动力的方法：,（1）理论分析主要是运用流体力学动量定理,关键在于对控制体的流入流出动量的确定,（2）直接测量流体对阀心的作用力,可以准确地测得阀心的液动力,（3）流场仿真就是利用数值方法通过计液动力的研究方法算机求解描述流体运动的数学方程,获得流体力学方程组精确解的数值解,揭示流体运动的物理规律,3.液动力的分析计算 主讲人：刘洋,液动力的分析计算,液体流动的动量定理： 由于流体在阀芯上的压力分布不容易确切知道,不易直接计算流体对阀芯的作用力,但可以通过“动量定理”的原理来计算“液动力”。,推导动量定理简图,

6、其中，a0为考虑截面流速不同而引入的动量修正系数。,液动力的分析计算,稳态液动力计算： 作用在圆柱滑阀上 稳态液动力可分解为轴向分力和径向分力。由于一般将阀体的油腔对称地设置在阀芯的周围，因此沿阀芯的径向分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力。,(a)流出式 (b)流入式,流出式圆柱滑阀上的稳态液动力：,液动力的分析计算,(a)流出式,虚线所示为控制体积，根据动量定理，可求得，流出式稳态液动力为：,(b)流入式,流入式圆柱滑阀上的稳态液动力：,结论：对于圆柱滑阀，完整阀腔的稳态液动力总是使阀口关闭。,扩展： 考虑到 ， 其中cv为速度系数，cq为流量系数，W为滑阀开口周长。 所以上式

7、又可写成,液动力的分析计算,则上式又可写成 。,令 ，记为液动力系数,当压差P一定时，上式可知，稳态液动力与阀口开度x成正比。, 作用在锥阀上：,液动力的分析计算,外流式,锥阀对控制体中液体的分布力以集中力F代替，有：,由于 ，有,因此锥阀受到的力为：,(方向向下),(方向向上),上式第一项为阀未开启时液体对阀的静压力，第二项为稳态液动力，可以看出稳态液动力减小了阀受到的液压力，使阀趋向于关闭。, 作用在锥阀上：,液动力的分析计算,内流式,同理，作用在锥阀上的轴向稳态液动力 为 ， 此力的方向使阀芯趋于打开。,4.液动力仿真实例（一） 主讲人：郑忠,Fluent是用于CFD（Computati

8、onal Fluid Dynamics)研究的应用软件，可模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象。本次采用Fluent分析流体经过阀口时的压力场、速度场以及液动力。,液动力仿真,本次直接选择了单向阀进行液动力仿真，具体步骤为 首先使用三维建模软件Solidworks建立流道模型，如图所示，图为模型的半剖图。,单向阀液动力仿真,单向阀工作过程中的阀芯力学模型可简化为图 所示的形式，假定阀芯的运动过程为在流体作用力Fflow 和弹簧弹力Fspring 的作用下进行的往复衰减运动,单向阀液动力仿真,阀芯的力学模型,单向阀液动力仿真, 然后使用网格划分软件ICEM CFD进行网格的划分，在划分模

9、型时对节流口处的流道进行了局部加密划分，而且对壁面添加了边界层网格的划分。, 网格划分完成后，再将生成的MESH文件导入FLUENT12.0进行仿真求解。求解时设置的边界条件为：采用速度入口边界条件：其中速度大小为 2.01m/s，速度方向为入口截面的法向。采用自由出流（Outflow）的边界条件，该边界条件将流动出口除压力以外的流动变量的法向梯度设置为零。壁面边界条件为：固壁（Wall）边界条件,单向阀液动力仿真, 对单向阀动态开启过程进行数值模拟的定解条件为：弹簧刚度 K 为9000N/m，弹簧初始压缩量Z loc为 40mm，阀芯质量 m 取 0.5kg，泥浆介质的密度 为 1500kg

10、/m3，稠度系数 k 为 0.698Pa 幂律指数 n 为 0.6266，阀体入口流量 Q 为 1.6m3/min，出口为自由流动。进行求解，得到阀芯内部速度场分布与压力场分布，以及阀芯所受到得液动力。,单向阀液动力仿真,单向阀液动力仿真,阀腔和阀芯的压力场分布,阀芯内部速度场分布。,单向阀液动力仿真,不同开度下阀芯附近的速度矢量图,阀芯开度直接影响阀口过流面积，建立阀芯开度与流动阻力的关系，以不同的开度 h 建立模型并进行求解计算，得到阀的开度 h 与阀进出口压差 p 的关系,单向阀液动力仿真,开度与压差的关系曲线,单向阀液动力仿真,单向阀液动力仿真,阀芯受力与阀芯开度关系曲线 阀芯合力与阀

11、芯开度关系曲线,4 基于FLUENT15.0的U形 节流槽滑阀稳态液动力仿真 主讲人：付虹,FLUENT15.0简介,Fluent 软件是 CFD 软件的一种，主要是用来模拟分析流体流动和热传导问题。它提供了结构化网格和非结构化网格，其中非结构化网格对处理具有复杂流场或者几何结构十分复杂的模型非常有效。极大提高计算效率。,图1 流场分析流程,三维模型的建立,图2 带U型槽滑阀结构图,三维模型的建立,图3 流场区域模型,图4 阀芯三维模型,三维模型的建立,图5 进行布尔运算之后的流场域模型,三维模型的建立,图7 阀的开度x=1mm,图8 阀的开度x=2mm,图9 阀的开度x=3mm,三维模型的建

12、立,壁面1,壁面2,壁面3,壁面4,图10 滑阀端面图,网格的划分,使用ANSYS workbench15.0自带网格划分功能，划分非结构网格。若使用GAMBIT、ICEM-CFD进行结构化网格划分效果会更好。,图11 开度为1mm时，网格划分,图11 开度为3mm时，网格划分,模型初始化条件,流体介质为液压油，密度：860kg/m3,运动粘度：4X10-5m2/s 液压油为不可压缩，为牛顿流体； 忽略流体重力势能对液压阀的影响； 假设系统中无热传导现象； 流场为单向流体； 阀中流场变化剧烈，为湍流，采用K-e湍流模型进行计算。,边界条件的设置,INLET：进口设置压力边界条件，输入压力为5M

13、Pa； OUTLET：设置出口压力边界条件为0 MPa； 设置流体区域为water-fluid材料； 阀芯与流体接触壁面边界类型为wall，分别定义为w1, w2 w3 w4，w5, w6； 其它流体与壁面接触的边界为静止无滑移壁面，边界类型为wall。,残差曲线,图11 开度为1mm时，残差曲线,计算结果,则该工况下的稳态液动力为：F=0.20247N，此时阀的开度为1mm。,计算结果,则该工况下的稳态液动力为：F=0.69587N，此时阀的开度为2mm。,计算结果,则该工况下的稳态液动力为：F=0.96522N，此时阀的开度为3mm。,图12 阀的开度为1mm时，端面压力云图,图 13 阀

14、的开度为3mm时，端面压力云图,图 14 阀的开度为2mm时，端面压力云图,图 15 阀的开度为1mm时，流体域整体压力云图,计算结果,计算结果,阀的开度/mm,液 动 力 数 值 /N,4.三级电液伺服阀液动力 仿真实例 主讲人：王文,液动力仿真,这里对三级电液伺服阀主功率级滑阀流场进行仿真分析,液动力仿真,三级电液伺服阀主功率级滑阀流场分布情况非常复杂。研究发现此处流场具有非常明显的湍流特征，因此在仿真分析过程中，为了精确地描述出流体流经该处的运动状态，需要采用湍流模型。FLUENT软件自带多种湍流模型，如SpalartAllmaras模型、RNG模型和标准 模型等。 这里选用Spalar

15、tAllmaras模型，它有以下几个优点：(1)计算效率高(S-A模型模型在所有模型中是最经济的，因为它只需要求解出湍流粘性的输运方程)。(2)计算精度高(S-A模型对于求解有壁面影响流动的问题效果非常好)。,液动力仿真,滑阀的左右两腔为对称结构，且每个阀腔均为轴对称结构，因此为缩短仿真时间，提高效率，本文只建立了单个阀腔的 1/4 建模。,液动力仿真,这里想通过分析滑阀的开口量与流量和开口量与流量系数之间的关系来研究滑阀的零位流场特性和流态切换现象。研究过程中滑阀的开口量都很小，网格划分时极易造成最小体积为负和网格扭曲率过大的情况，影响计算结果的准确性。这里运用动网格技术仿真分析大开口区域的

16、流场特性，并选用弹性光顺法进行网格划分，弹性光顺法一般只接受三角形网格的网格划分方法。,液动力仿真,当 0 35m 时，阀口流量系数随阀开口量的增加而迅速增大；此后随着阀开口量继续增加，流量系数基本趋于稳定。当 较小时，粘性力对流体流动起主导作用，此时可不予考虑惯性力的作用，此时随着 的增大， 迅速增大， 则变化很小，导致 迅速增大；当 增大到一定程度时，粘性力与惯性力对液压油流动的影响程度相当，两者均不能忽略，在此区域内 缓慢变大， 缓慢减小，结果导致 基本不变。,液动力仿真(实例),这里运用了2个软件，Solidworks和Ansys 首先通过Solidworks绘制模型，将模型保存x_t

17、格式,液动力仿真(实例),打开Workbench，双击Mesh，打开刚才建立好的模型，右击Mesh，进入Ansys Meshing,液动力仿真(实例),左键点击选择入口平面，再单击右键，选择Create Named Selection，命名为inlet。同样命名出口面为outlet。,液动力仿真(实例),点击左侧模型树中的Mesh，出现Details of “Mesh”，在Physics Preference中选CFD，在Solver Preference中选Fluent（使用Fluent求解流场）。展开 Sizing，选 Relevance Center 为 Fine，意思是划分较密的网格。

18、,液动力仿真(实例),保存，关闭 返回Workbench,液动力仿真(实例),建立一个Fluent单元 更新Fluent单元 打开Fluent,液动力仿真(实例),在Models里选择SpalartAllmaras模型，其余默认 流体材料自设,液动力仿真(实例),点击Fluent Datebase，从中找出water-liquid作为材料，点击Copy复制出来,液动力仿真(实例),修改Copy出来的材料性质，更改名称和化学式，然后修改流体密度以及粘度，点击Change/Create保存,液动力仿真(实例),在Cell Zone Conditions中选择材料为oil,液动力仿真(实例),在Bo

19、undary Conditions中双击inlet，velocity magnitude取2，即流体速度为2m/s,液动力仿真(实例),出口选择压力出口边界，参数保持默认,液动力仿真(实例),Standard Initialization中选择标准初始化Standard Initialization，compute from 选择all-zones，点击Initialize。,液动力仿真(实例),Run Calculation中选择迭代次数500次，点击Calculate进行计算,液动力仿真(实例),计算曲线如图 退出Fluent，返回Workbench,液动力仿真(实例),打开Result

20、进入CFD-Post,液动力仿真(实例),创建平面 此处设置XY平面，Z方向0.02，点击apply,液动力仿真(实例),创建云图 Locations选择刚才创建的平面，variable选择velocity(这里为速度，也可以选择压力等)，点击apply,液动力仿真(实例),得到速度云图 创建速度矢量图,液动力仿真(实例),Locations选择Plane 1，为避免上一步中云图及Plane 1背景的影响，取消勾选模型树中Contour 1和Plane 1的复选框,5.液动力补偿方法 主讲人：赵得成,液动力补偿方法,对于滑阀，目前有以下补偿策略： （1）阀套运动法。就是固定阀芯而让阀套运动来确定阀的开口量，这种补偿办法是将阀芯受到的力转移到运动的阀套上面，从而减小了阀