喷嘴挡板伺服阀前置级流场瞬态气穴及其流致现象研究

发布时间：2018-04-12 06:32

本文选题：喷嘴挡板伺服阀 + 瞬态气穴　；参考：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文

【摘要】：电液伺服阀是液压控制系统中的核心控制元件,被广泛的应用于航天、航空、化工、冶金等工业领域,尤其是采用喷嘴挡板装置作为前置级的电液伺服阀,由于其具有尺寸结构小、响应速度快等优点,在液压伺服控制系统中被大量使用。然而,喷嘴挡板装置由于结构以及工况的特殊性,其内部流场往往具有进出口压差大,局部流速快以及剪切流动性强等特点,尤其在一些壁面锐边处,极易发生气穴现象。瞬态气穴现象及其诱发的前置级流场压力脉动不仅会造成零件表面的汽蚀损坏,影响喷嘴挡板装置工作的稳定性,甚至还会诱发伺服阀的自激振荡现象,严重降低伺服阀以及伺服控制系统的控制精度。本文针对喷嘴挡板式两级电液伺服阀,从前置级流场的不稳定性出发,采用仿真和试验相结合的方法,依次分析喷嘴挡板装置中的瞬态气穴现象及其诱发的流场压力脉动、挡板瞬态液流力和挡板振动,通过对比其时域和频域特性,研究其内在联系,为伺服阀自激振荡的研究提供理论基础。基于喷嘴挡板前置级流场两相流控制方程,本文在局部气穴体积分数的基础上,提出针对前置级流场不同区域的面平均气穴分数以及体平均气穴分数两个气穴评价参数,分别对流场喷嘴中心面和流场整体的气穴现象进行定量分析。同时,针对不同区域的瞬态气穴评价参数和挡板液流力,建立时域以及频域分析方法,其中在时域上主要使用均值和振幅对气穴、压力脉动以及挡板液流力进行分析,在频域上则计算相关参数的峰值频率与均方根频率。针对喷嘴挡板前置级流场中的瞬态气穴现象,本文使用大涡模拟和混合两相流模型建立相应的数值仿真方法,对不同喷嘴入口压力下流场中的气穴分布及其形态演变规律进行分析。基于不同的气穴评价参数,采用时域和频域相结合的分析方法,分别对圆角挡板和直角挡板在不同入口压力下的前置级流场局部气穴分数脉动、面平均气穴分数脉动和体平均气穴分数脉动进行计算,研究三者均值、幅值、峰值频率以及均方根频率随喷嘴入口压力的变化规律。在前置级流场瞬态气穴现象的研究基础上,本文进一步对其诱发的流场压力脉动、挡板瞬态液流力以及挡板振动特性进行研究。针对前置级不同流动区域,分别计算瞬态气穴引起的流场局部压力脉动、面平均压力脉动、体平均压力脉动特性以及前置级流场的谐振频率;对喷嘴挡板间冲击射流引起的挡板主液流力进行稳态分析,并与传统经验公式进行对比,对瞬态气穴现象引起的挡板涡流力进行瞬态分析,并且基于流固耦合的方法,对瞬态涡流力引起的挡板振动特性进行研究,通过与瞬态气穴以及流场压力脉动结果进行对比,进一步分析其相互联系。基于仿真分析结果,本文进一步对喷嘴挡板前置级的瞬态气穴现象以及挡板液流力进行试验研究。测量喷嘴挡板装置在不同入口压力下的零位泄漏流量,并且使用半经验方法测量挡板的主液流力,分别与数值仿真结果做对比,进一步验证仿真结果的正确性。使用高速摄像机对圆角挡板和直角挡板前置级流场中的瞬态气穴进行拍摄,并建立气穴图像的处理方法,包括前处理与后处理两部分。其中图像前处理分为中值滤波与灰度拉伸两步,主要用于消除拍摄过程中引入的噪声以及对图像中的气穴形态进行突出显示。图像后处理主要使用结构相似性检测算法对一系列瞬态气穴图像进行相似性分析,通过对相似性系数进行频域分析得出气穴形态变化的频率特性,并与数值计算结果进行对比。
[Abstract]:In this paper , the transient cavitation phenomenon in nozzle baffle device and the flow force of baffle are analyzed by means of simulation and experiment . Based on the results of simulation analysis , the transient cavitation and the flow force of baffle plate caused by transient cavitation are studied .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH137.52

【参考文献】