液压滑阀内部流场可视化仿真研究及试验测试

发布时间：2019-07-25 14:37

【摘要】：随着液压技术的发展,对主要液压控制元件(伺服阀、比例阀)的性能要求越来越高,而气穴、液动力、流量特性等是影响其性能的主要因素。采用流场仿真软件分析液压阀流场并研究气穴、液动力、流量特性等问题有助于液压阀性能的优化。现今的仿真研究中主要采用二维、单相流模型对阀内流场进行分析,分析中假设液压阀结构对称,然而由于进出流道的影响,一般的液压阀都不具有中心对称结构,因而用二维模型描述三维结构使得仿真误差较大。单相流模型具有计算时间短、易收敛等优点,然而由于其忽略了气穴现象导致的相变引起流体密度等参数的变化,不能准确模拟气穴流场。论文以液压比例阀、伺服阀中常用的阀套上开节流槽的大通径液压滑阀为具体研究对象,运用三维两相流数值仿真、理论分析、试验研究相结合,对非全周开口液压滑阀内流、外流工况下的流场进行分析。主要针对气穴现象、稳态液动力、流量特性进行了深入研究。发现大流量、小阀口开度、小出口压力会促使内、外流式滑阀气穴的发生;提出临界开度的概念,内流式滑阀的稳态液动力在开度达到临界开度时使阀口趋于开启;提出一种对整个壁面压力分布进行测量的方法,并通过表面积分得到滑阀稳态液动力。该方法对于高压、高速、小尺寸复杂阀内流场检测具有普适性;在对流量系数的研究中发现,小开度时压差对于流量系数的影响较大,流量系数随着阀口开度的增大有增大的趋势。研究成果对于液压阀的设计与控制具有较大的理论价值和显著的工程实用性。本课题得到国家自然基金资助项目(51175362)、山西省科技攻关项目(20140321008-02)的资助。论文研究的主要内容如下: (1)首先阐述了本课题研究的目的和意义;其次对国内外液压阀的研究现状、发展概况进行了介绍;之后综述了液压阀气穴、液动力、流量特性的研究进展;然后简述了流场仿真技术及其测试技术在液压中的应用情况;最后概括本文的主要研究内容。 (2)介绍了课题研究的理论基础。并用gambit软件建立了所研究滑阀的三维模型,并对其进行了网格划分,分别用单相流模型与两相流模型仿真分析了所研究滑阀的流场,提出单相流模型由于忽略了气穴现象对于流体密度及其流场的影响,不能准确模拟气穴流场,进一步提出采用两相流模型模拟气穴流场的必要性。 (3)论文对液压阀的内流、外流两种工况,进行了深入研究。研究中首先对仿真中研究的每个阀口开度建立对应的三维模型,并划分网格,采用两相流模型+气穴模型+rng(renormalizationgroup)湍流模型,仿真分析了内、外流式非全周开口滑阀流量、阀口开度、出口压力对其流场的影响,利用得到的速度矢量图、压力分布图、气相体积分布云图等分析内、外流式非全周开口滑阀的气穴现象,发现气穴现象在流场的最低压力区域发生。内流式滑阀的气穴发生在阀腔内靠近入口位置的阀芯壁面附近,外流式滑阀的气穴发生在阀口下游处,同样条件下,外流式气穴更严重。气穴区域随着流量的增大、阀口开度的减小、出口压力的减小而增大。提出了一种壁面压力分布的测量方法,测量所得壁面压力分布的最低压力区域对应其气穴发生的位置及区域。在在流量恒定,出口压力较小时,内、外流式滑阀流量系数时,随出口压力的增大而增大;外流式滑阀流量系数与内流式滑阀流量系数并不相同。传统上将流量系数取固定值不完全合理。 (6)总结了本论文的研究内容及其获得的成果,展望未来的研究工作。论文的研究成果进一步完善了有关液压阀流体力学的基本理论,分析了阀套上开节流槽的非全周开口滑阀的气穴现象、稳态液动力、流量系数特性。研究成果及方法可用于指导液压阀的设计及控制,其理论价值和工程实用性是显著的。
【图文】：

31（b）阀芯（c）阀套图 2-1 滑阀及部分零件结构图Fig. 2-1 Slide valve and parts structure2.2.2 网格划分与计算采用GAMBIT 软件对所研究滑阀内部阀腔进行建模及网格划分，为了使计算容易收敛，对模型分区域划分网格，，大部分区域采用六面体网格，部分区域采用混合网格。经试算比较，单元划分精度满足分析要求。所研究模型为非全周滑阀，受进出流道的影响，流动并不满足中心对称，不能用二维模型简化分析。考虑到其三维模型结构具有面对称的特点，因而只需对半剖模型进行网格划分。因为在入口和出口部分压力变化不大，采用较粗网格；阀口部分，由于速度和压力梯度较大，且存在漩涡，流动较为复杂，对

液压滑阀内部流场可视化仿真研究及试验测试

太原理工大学博士研究生学位论文相体积百分比也会产生变化，其大小会影响到混合密度，影响流气穴现象引起的流体密度及流场变化，导致结果偏离实际。因此，内流场，应采用两相流模型对流场进行分析。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH137.52

【相似文献】