锥阀阀口空化瞬态周期性及效应的数值模拟
发布时间：2021-12-28 19:03
液压锥阀具有结构简单、密封性好、抗污染能力强等特点而成为液压阀中最常见的阀结构形式之一。在锥阀工作过程中,阀口空化及其振动、噪声等伴生现象经常发生,成为诱发液压系统振动、噪声、发热及稳定性问题的重要根源之一。锥阀阀口空化是一种高速瞬变流动现象,其复杂性导致该现象仍有待深入研究,目前实验研究也仅能解释其部分机理,而数值模拟可以克服实验局限性。本文运用多相流数值模拟技术和理论分析,对锥阀阀口在节流、溢流工况下瞬态空化流动进行了深入研究与总结。本文主要研究工作有:采用湍流粘度修正RNG模型和湍动能修正Zwart空化模型,解析了锥阀阀口节流工况瞬态空化流动,研究结果表明:锥阀阀口周期性空化流动由空泡初生、发展、溃灭三个阶段构成,空化的周期频率为1182Hz,其中发展阶段约占整个周期的81%,空泡完全溃灭时产生的压力波动最高可达4MPa;空化发展阶段促进阀口流速提高,空泡溃灭降低阀口流速,因而周期性空化质量流量波动量最高可达均值的41%;速度漩涡及其产生的湍动能是空泡运移的重要条件,正反向射流区交界处的湍动能促进了大尺度空泡的发展;空泡完全溃灭时,阀芯表面力从33N变化到116N。研究了湍流方程...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
移动壁面远离静止壁面时空泡形成及发展
锥阀阀口空化瞬态周期性及效应的数值模拟20ms6.3ms12.5ms18.8ms25.0ms图1.1移动壁面远离静止壁面时空泡形成及发展空化现象的发生会给液压液压系统造成诸多危害，如噪声、振动，而且研究表明空化空泡破裂瞬间产生的压力波动最高可达109Pa量级[8]，在这种冲击力的反复作用下，固体表面会形成许多的麻点和凹坑，如此便形成了气蚀现象。气蚀现象轻则破坏机械零件表面形貌，降低元件的密封性，重则使元件失效。图1.2列出了液压锥阀阀芯在经历气蚀破坏前后的表面形貌[9]。气蚀作用前气蚀作用后图1.2气蚀作用前后阀芯的形态对比1.2.3锥阀空化研究意义空化空泡溃灭会产生较大的压力波动，进而引起一定的噪声、振动等现象。这些现象会给锥阀的工作性能带来严重的负面影响，如当锥阀充当先导级调控主阀阀芯运动时，该压力波动可能会使导阀阀芯受力产生振荡，导致导阀动作失稳，进而影响主阀工作性能的稳定性。空泡破裂产生的压力冲击还会在阀芯、阀座表面形成气蚀现象，降低元件的密封性和使用寿命。气蚀现象不仅会破坏元件表面形貌、降低密封性，同时气蚀剥落产生的杂质一旦进入液压系统中就会造成油液污染，进而引发元件由于油液污染颗粒物[10]进入配合间隙中而产生的卡滞问题，
锥阀阀口空化瞬态周期性及效应的数值模拟6表明：提升油压可以减小槽内空化，而提高转速则会加剧槽内空化；增加槽深和减小螺旋角则会以不同的方式减弱槽内空化。图1.3（a）结构优化前；（b）、（c）在阀座表面增加不同的梯形结构；（d）在阀芯表面增加节流口、阀座增加梯形结构2018年，HeXu[48]等人利用Fluent和DOE优化方法、MIGA算法对水液压安全阀进行了结构优化设计。他们首先借助Fluent观察在水液压安全阀阀芯上开节流孔、阀座上增加阶梯形结构对该阀压力场分布的影响，发现这些结构改变能有效提高阀芯表面附近的压力，最后采用DOE优化方法和MIGA算法确定了最优的结构参数并通过实验对结构改进进行了验证，结果表明上述结构改进能够有效提高阀的抗空化性能。图1.3展示了不同改进方式对阀芯表面附近压力场的影响。2017年，Jian-huaWu[49]等人针对机械心脏瓣膜空化问题以猪血、自来水和蒸馏水为研究对象，发现同等边界条件下血液空蚀强度较强，并推测粘度可能是影响空化强度主导因素。2009年，YaHuiLiu[50]等人对液压动力舵机中的回转阀进行数值模拟和实验研究，研究结果表明：在转向过程中，回转阀的流场变化使液体流向发生较大的变化，而油液在狭窄流场中的变化会引起舵机助力功率和噪声的波动；在相同流量下，回转阀入口口径、阀门套筒和转子的长度对阀门的工作压力没有影响，但对流场气相体积分数有影响，最后提出了增加回转式转向阀入口口径和选择适当的槽深来降低阀噪声的建议。2019年，EzddinHutli[51]等人通过空化发生器研究了空化现象对不同塑性金属材料的破坏，发现空泡坍塌过程中产生的剪应力是金属材料遭到破坏的主要原因，而且整个破坏过程可分为四个阶段：表面硬化、塑性变形、侵蚀和开裂，其研究的部分内容如图1.4所示?
【参考文献】：
期刊论文
[1]撞击-喷射流空化强化大豆粕蛋白溶解的研究[J]. 程海涛,申献双. 中国油脂. 2019(07)
[2]超空化发展初始阶段通气空化非定常流动特性研究[J]. 段磊,王恵军,黄春蓉,何春涛. 数字海洋与水下攻防. 2019(02)
[3]空化器锥角对射弹跨音速入水初期超空化流动影响研究[J]. 王瑞,党建军,姚忠,祁晓斌. 水下无人系统学报. 2019(02)
[4]基于黏性修正SST k-ω模型的水翼空化流数值模拟计算[J]. 陈铠杰,万德成. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(02)
[5]往复泵水头损失及空化现象的数值仿真优化[J]. 马良丰,冯进,刘宇,魏俊,刘倩倩. 液压与气动. 2019(03)
[6]液压技术在机械制造业的应用现状及展望浅谈[J]. 郭亚林. 山东工业技术. 2019(02)
[7]不同入口形状中心体喷嘴诱发空化的模拟[J]. 刘鲁兴,邓松圣,管金发,姚粟,李国栋,陈晓晨. 煤矿机械. 2018(12)
[8]不同气蚀次数球阀空化的数值研究（英文）[J]. Hamidreza YAGHOUBI,Seyed Amir Hossein MADANI,Mansour ALIZADEH. Journal of Central South University. 2018(11)
[9]浅谈机床液压系统的常见故障及处理方法[J]. 郭超. 科技风. 2018(32)
[10]空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究[J]. 王畅畅,王国玉,黄彪. 力学学报. 2018(05)
博士论文
[1]液压阀口空化机理及对系统的影响[D]. 杜学文.浙江大学 2008
硕士论文
[1]流量切断瞬时V型阀口空化现象研究[D]. 林言丕.兰州理工大学 2019
[2]液压锥阀阀口空化流动数值模拟[D]. 王万春.兰州理工大学 2019
[3]考虑热力学效应的空化模型修正及低温空化流的数值模拟研究[D]. 王超超.江苏大学 2018
[4]液压节流阀内流场非定常空化特性研究[D]. 徐化文.中国矿业大学 2018
[5]滑阀间隙中单个微米颗粒物旋转现象的研究[D]. 崔腾霞.兰州理工大学 2018
[6]油压锥阀阀口空化流动数值模拟[D]. 王鹏飞.兰州理工大学 2016
[7]高速空化流动数值方法研究[D]. 王健.北京理工大学 2015
本文编号：3554569
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
移动壁面远离静止壁面时空泡形成及发展
锥阀阀口空化瞬态周期性及效应的数值模拟20ms6.3ms12.5ms18.8ms25.0ms图1.1移动壁面远离静止壁面时空泡形成及发展空化现象的发生会给液压液压系统造成诸多危害，如噪声、振动，而且研究表明空化空泡破裂瞬间产生的压力波动最高可达109Pa量级[8]，在这种冲击力的反复作用下，固体表面会形成许多的麻点和凹坑，如此便形成了气蚀现象。气蚀现象轻则破坏机械零件表面形貌，降低元件的密封性，重则使元件失效。图1.2列出了液压锥阀阀芯在经历气蚀破坏前后的表面形貌[9]。气蚀作用前气蚀作用后图1.2气蚀作用前后阀芯的形态对比1.2.3锥阀空化研究意义空化空泡溃灭会产生较大的压力波动，进而引起一定的噪声、振动等现象。这些现象会给锥阀的工作性能带来严重的负面影响，如当锥阀充当先导级调控主阀阀芯运动时，该压力波动可能会使导阀阀芯受力产生振荡，导致导阀动作失稳，进而影响主阀工作性能的稳定性。空泡破裂产生的压力冲击还会在阀芯、阀座表面形成气蚀现象，降低元件的密封性和使用寿命。气蚀现象不仅会破坏元件表面形貌、降低密封性，同时气蚀剥落产生的杂质一旦进入液压系统中就会造成油液污染，进而引发元件由于油液污染颗粒物[10]进入配合间隙中而产生的卡滞问题，
锥阀阀口空化瞬态周期性及效应的数值模拟6表明：提升油压可以减小槽内空化，而提高转速则会加剧槽内空化；增加槽深和减小螺旋角则会以不同的方式减弱槽内空化。图1.3（a）结构优化前；（b）、（c）在阀座表面增加不同的梯形结构；（d）在阀芯表面增加节流口、阀座增加梯形结构2018年，HeXu[48]等人利用Fluent和DOE优化方法、MIGA算法对水液压安全阀进行了结构优化设计。他们首先借助Fluent观察在水液压安全阀阀芯上开节流孔、阀座上增加阶梯形结构对该阀压力场分布的影响，发现这些结构改变能有效提高阀芯表面附近的压力，最后采用DOE优化方法和MIGA算法确定了最优的结构参数并通过实验对结构改进进行了验证，结果表明上述结构改进能够有效提高阀的抗空化性能。图1.3展示了不同改进方式对阀芯表面附近压力场的影响。2017年，Jian-huaWu[49]等人针对机械心脏瓣膜空化问题以猪血、自来水和蒸馏水为研究对象，发现同等边界条件下血液空蚀强度较强，并推测粘度可能是影响空化强度主导因素。2009年，YaHuiLiu[50]等人对液压动力舵机中的回转阀进行数值模拟和实验研究，研究结果表明：在转向过程中，回转阀的流场变化使液体流向发生较大的变化，而油液在狭窄流场中的变化会引起舵机助力功率和噪声的波动；在相同流量下，回转阀入口口径、阀门套筒和转子的长度对阀门的工作压力没有影响，但对流场气相体积分数有影响，最后提出了增加回转式转向阀入口口径和选择适当的槽深来降低阀噪声的建议。2019年，EzddinHutli[51]等人通过空化发生器研究了空化现象对不同塑性金属材料的破坏，发现空泡坍塌过程中产生的剪应力是金属材料遭到破坏的主要原因，而且整个破坏过程可分为四个阶段：表面硬化、塑性变形、侵蚀和开裂，其研究的部分内容如图1.4所示?
【参考文献】：
期刊论文
[1]撞击-喷射流空化强化大豆粕蛋白溶解的研究[J]. 程海涛,申献双. 中国油脂. 2019(07)
[2]超空化发展初始阶段通气空化非定常流动特性研究[J]. 段磊,王恵军,黄春蓉,何春涛. 数字海洋与水下攻防. 2019(02)
[3]空化器锥角对射弹跨音速入水初期超空化流动影响研究[J]. 王瑞,党建军,姚忠,祁晓斌. 水下无人系统学报. 2019(02)
[4]基于黏性修正SST k-ω模型的水翼空化流数值模拟计算[J]. 陈铠杰,万德成. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(02)
[5]往复泵水头损失及空化现象的数值仿真优化[J]. 马良丰,冯进,刘宇,魏俊,刘倩倩. 液压与气动. 2019(03)
[6]液压技术在机械制造业的应用现状及展望浅谈[J]. 郭亚林. 山东工业技术. 2019(02)
[7]不同入口形状中心体喷嘴诱发空化的模拟[J]. 刘鲁兴,邓松圣,管金发,姚粟,李国栋,陈晓晨. 煤矿机械. 2018(12)
[8]不同气蚀次数球阀空化的数值研究（英文）[J]. Hamidreza YAGHOUBI,Seyed Amir Hossein MADANI,Mansour ALIZADEH. Journal of Central South University. 2018(11)
[9]浅谈机床液压系统的常见故障及处理方法[J]. 郭超. 科技风. 2018(32)
[10]空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究[J]. 王畅畅,王国玉,黄彪. 力学学报. 2018(05)
博士论文
[1]液压阀口空化机理及对系统的影响[D]. 杜学文.浙江大学 2008
硕士论文
[1]流量切断瞬时V型阀口空化现象研究[D]. 林言丕.兰州理工大学 2019
[2]液压锥阀阀口空化流动数值模拟[D]. 王万春.兰州理工大学 2019
[3]考虑热力学效应的空化模型修正及低温空化流的数值模拟研究[D]. 王超超.江苏大学 2018
[4]液压节流阀内流场非定常空化特性研究[D]. 徐化文.中国矿业大学 2018
[5]滑阀间隙中单个微米颗粒物旋转现象的研究[D]. 崔腾霞.兰州理工大学 2018
[6]油压锥阀阀口空化流动数值模拟[D]. 王鹏飞.兰州理工大学 2016
[7]高速空化流动数值方法研究[D]. 王健.北京理工大学 2015
本文编号：3554569
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