水介质锥阀流场可视化仿真及试验研究

发布时间：2020-11-06 01:28

　　 液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一,随着科技的发展,对液压系统中阀件的性能要求会越来越高。液压锥阀作为液压传动与控制中一种重要的基础性元件,具有密封性好,过流能力强,响应快,抗污染能力强,结构简单等特点。但锥阀在工作时流体的流动状况是很复杂的,液体经过阀口时容易产生漩涡,不可避免的会发生气穴现象,影响阀的性能,同时液动力也是影响阀性能的主要因素。因此研究液压阀的气穴现象和液动力对于提高阀的性能有着重要的意义。论文以纯水为介质的复杂流道的锥阀和普通锥阀作为具体的研究对象,利用Fluent进行流场仿真时单向流模型由于忽略气穴现象导致的流体某些参数的变化,不能准确的模拟流场,所以采用三维两相数值模拟和试验验证相结合的方式进行了可视化研究,以不同的阀芯几何结构和不同的阀芯开口作为主要研究的影响因素,来寻求气泡产生的位置和数量的影响规律。针对液压锥阀的特点,建立不同阀芯开口阀的流场三维模型,进行网格划分,采用两相流模型、气穴模型和标准k-?湍流模型,得到了流场的压力场、速度场、气体体积分数的分布云图,分析了边界条件和关键几何结构尺寸对锥阀气穴的影响特点和规律,发现气穴现象发生在流场最低压力区域。发现边界条件对锥阀气穴有显著的影响,进口压力降低,会使低压区域减小,压降减小,气穴减弱,反之则会使气穴增强;阀芯开口越大,阀口流通面积越大,流速下降,压降减小,从而气穴减弱甚至完全被抑制;阀芯锥角对气穴有显著的影响,当锥角减小时会减弱气穴现象,对于平底的阀芯锥阀更容易产生气穴;相同条件下,内流式锥阀比外流式锥阀更容易气穴。设计气穴现象及液动力测试的试验台,采用具有良好透明性的有机玻璃材料制造阀块,并应用高速摄像机拍摄阀内气泡和气穴的产生、发育及溃灭过程。从内流式和外流式两种工况入手,得出不同工况下气穴现象的区域以及发生的程度,验证了仿真的可行性和准确性。还得出以下结论:随着阀芯开口的增大,发生气穴的区域会往接近出口处转移。由于液动力的存在会使锥阀的输入信号与阀芯位移呈现不确定关系,而且造成液压阀的不稳定性,影响整个系统的稳定性与可靠性。通过对锥阀阀芯锥面压力进行计算可得阀芯所受稳态液动力。在试验过程中应用力传感器对阀芯所受的力进行采集。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH137.52
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究目的和意义
    1.2 气穴及气泡现象研究现状
        1.2.1 气穴气泡形成机理
        1.2.2 空泡特征及空化破坏
        1.2.3 气液两相流的研究概述
        1.2.4 液压元件及系统中气穴的研究概述
    1.3 液压阀液动力研究现状
    1.4 论文主要内容
第二章 阀内部流场数值分析
    2.1 数值分析的计算模型
        2.1.1 Fluent简介
        2.1.2 计算模型
        2.1.3 网格划分及边界条件
    2.2 流场计算数学模型
        2.2.1 气泡动力学分析
        2.2.2 连续性方程
        2.2.3 标准k-ε湍流模型
        2.2.4 多相流气穴模型
    2.3 复杂流场仿真计算与分析
        2.3.1 不同阀芯阀芯开口下的流场CFD模拟
        2.3.2 不同压力下流场的CFD模拟
    2.4 普通锥阀的CFD仿真
        2.4.1 内流式锥阀的流场的CFD模拟
        2.4.2 外流式锥阀的流场的CFD模拟
    2.5 本章小结
第三章 试验原理及研究方法
    3.1 试验系统的设计
    3.2 可视化液压阀的设计
    3.3 试验台的搭建
        3.3.1 液压元件的选择
        3.3.2 试验系统的搭建
    3.4 本章小结
第四章 液压阀试验结果分析
    4.1 气穴及液动力的主要影响因素
    4.2 气穴现象试验结果分析
        4.2.1 不同阀芯开口对气穴的影响
        4.2.2 不同结构对气穴的影响
    4.3 稳态液动力的分析
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 课题总结
    5.2 课题展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨国来;张灿罡;尹大禹;张东东;王建忠;;锥阀阀口能量损失分析及阀座结构改进[J];甘肃科学学报;2016年06期

2 王海芳;褚天争;王继强;张恒;;考虑稳态液动力的锥阀阀芯可靠性分析[J];中国工程机械学报;2016年05期

3 郑淑娟;权龙;王文全;;平底锥阀内流工况稳态液动力的研究[J];液压与气动;2014年08期

4 魏文礼;吕彬;刘玉玲;;消能锥阀结构改进的三维数值模拟研究[J];应用力学学报;2013年01期

5 刘桓龙;李惟祥;柯坚;刘晓红;邓斌;;液压锥阀空化特性的计算与分析[J];液压与气动;2012年09期

6 匡全忠;;白溪水库锥阀控制系统改造[J];水电厂自动化;2009年01期

7 陈伦军;董炳坤;张际;李洪涛;;液压先导锥阀开启特性的仿真分析[J];机械工程与自动化;2008年06期

8 曾德芬;论锥阀的稳定性[J];重型机械;1996年03期

9 韩晶华,周华,李壮云;软密封锥阀的实验与研究[J];液压与气动;1997年02期

10 苟珍玺;影响锥阀稳定性的因素[J];液压与气动;1986年02期

相关博士学位论文 前3条

1 郑淑娟;插装型锥阀配合副流固热耦合分析及流场可视化[D];太原理工大学;2015年

2 易达云;锥阀振荡流场流动噪声增强机制研究[D];浙江大学;2015年

3 刘磊;高压大冲击流量条件下乳化液锥阀失效机理及关键技术研究[D];中国矿业大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 张立亭;水介质锥阀流场可视化仿真及试验研究[D];太原理工大学;2018年

2 牛玉国;锥阀轴向振动的仿真与实验研究[D];浙江大学;2014年

3 李惟祥;液压锥阀的振动特性研究[D];西南交通大学;2012年

4 冯祥;柴油机燃油系统控制锥阀空化流动特性试验研究[D];北京工业大学;2016年

5 莫光轶;锥阀振动耦合的仿真与实验研究[D];浙江大学;2014年

6 李辉;液压锥阀结构参数与工作性能的数值分析[D];西南交通大学;2009年

7 许慧;内流工况液压锥阀内部流场的三维可视化模拟与仿真[D];太原理工大学;2007年

8 雷红霞;插装型液压控制锥阀流场的三维可视化数值模拟与仿真研究[D];太原理工大学;2004年

9 谭剑波;液压锥阀气穴分析与流场参数化仿真[D];西南交通大学;2014年

10 李超;管道内部锥阀水流水力特性及消能研究[D];西安理工大学;2008年

本文编号：2872469