节流阀内部流场数值模拟分析毕业论文(编辑修改稿)

节流阀内部流场数值模拟分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

大学的王国志等运用三维流体分析软件对水压滑阀 的流动状态以及阀芯受力情况进行了数值计算，对可视化的图形图像和计算结果进行了分析研究。 通过数值计算和可视化研究可以较容易获得在理论上很难计算的滑阀阀芯所受的液动力。 仿真计算所得的可视化结果与理论数据基本吻合，其结果为水压滑阀的设计提供了依据。 燕山大学的高殿荣首次将有限元方法应用于液压技术中各种异形断面流道，并对液压集成块内部的复杂流道、滑阀和锥阀流场进行了数值模拟，还从流安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 8 体力学的连续性方程和 Navierstokes 方程出发，并根据流函数和涡量与流速之间的关系式，推导出了以流函数和涡量 w 为变量的 NS 方程 的变形公式，并对其进行无量纲化。 浙江大学的王林翔采用湍流模型的 kε 两方程模型和有限容积法，对滑阀阀道内的流体流动进行了数值分析。 北京化工大学的沈晶，阐述了水锤现象产生的原因，通过对阀芯结构的改进减小水锤对液压阀寿命的影响。 浙江大学的冀宏，利用理论分析、流场仿真、压力分布测量等方式相结合，发现通过等截面段形成二级节流或采取大楔形角可以有效的消除气穴和噪声。 太原理工大学的王芳，采用 AutoCAD 和 UG 软件，按照先导阀的实际结构和参数，结合计算数学模型的可行性，分别建立了 阀的二维和三维几何模型。 运用 FLUENT 前处理软件 GAMBIT 进行了网格的划分。 在 FLUENT 软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟。 单向节流阀的未来发展 目前，液压系统和元件的设计，分析方法是基于一种半经验的方法，一些理论公式经多方简化，已难以解释和处理某些实际问题，对节流阀的开发和深入研究也存在着许多问题。 在理论分析中，很多内外界因素都未加以考虑，很多因素在不断影响着液压控制元件，也在不断困扰着研究人员对液压控制元件的理论分析与研究。 例如，压差对节流阀的流量的影响、温度对节流阀的流量的影响、 节流阀节流口的堵塞、节流阀节流口的空穴现象以及节流阀的阀口漏油现象和节流阀的内部结构改进等问题。 因此，先进的科学技术对以上技术问题进行了研究和攻克。 随着计算机科学技术的迅速发展，研究人员逐渐开发了一系列的流体分析软件，应用 CFD方法，采用 Fluent流体软件及 ANSYS有限元分析软件，对单向节流阀进行了结构应力及压差流量等各方面模拟分析，对实际上液压元件的运行进行了精确的计算分析，掌握了很多液压元件的运行仿真与优化设计和结构改进等资料。 因此，各种更先进的、更节能的、更优化的液压控制元件业相继问世，给现代的 工业发展提供了更好的动力。 随着高压，高速，大流量和高效率液压系统发展的需要，对节能型、低噪声和环保型节流阀的研究也日益增多，不仅从各方面对节流阀进行技术上的改进，安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 9 也从环保角度对液压控制元件的质量提升有积极的促进作用，并且逐步取得了实质性的突破。 选题的目的和意义 20 世纪是流体传动与控制技术逐步走向成熟的时代。 随着现代科学技术的飞速发展，它不仅可以充当一种传动方式，而且可以作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段。 能量转 换、动力传动以及传动控制依然是 21 世纪全球经济的重要组成部分，流体传动与控制技术也依然是其中极为重要和积极的角色。 液压阀对流体的控制是通过内部流体的流动来实现对执行元件动作的控制，是以流体在阀中流功的运动学和动力学规律为基础的，所以应当深入研究阀内流体的流动状况以及流体与阀的固体部件之间的动力学联系，以提高阀的性能。 近年来随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用 CFD 方法，对液压阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，成为液压技术领域新的研究热点，研究工作对阀的结构参数设计和流道的优化没计具有 重要的实际意义。 当液流流经液压阀的阀腔和阀口时，由于液流速度发生变化，将有液动力作用在阀芯上。 液压控制阀的操纵力必须能够克服阀的各种阻力，它包括惯性力、摩擦力、弹簧力和液体动力等，其中液动力所占的比例最大。 液动力不仅会影响阀的操纵力，而且还可能引起阀的自激振动，影响整个系统的稳定性和可靠性，它是设计、分析液压控制阀及液压系统的重要因素之一。 采用各种流场数值计算方法，对阀的流道内流场进行数值计算来准确计算液动力是最近几年阀液动力研究的热门课题，它可以用于改进阀的过流结构，对进行阀的液动力的补偿提供理论依据。 目前对三维模型的研究也只是对阀芯在固定开口度状态时的流场特性进行仿真，对阀芯在运动过程中阀内部流场的规律、特点的理论分析还很少。 液动力是设计、分析液压控制阀的重要因素之一，在国内外的研究中，大都是关于稳态液动力的机理研究和理论计算公式的推导，对稳态液动力也提出了很多有效的补偿措施。 对于阀瞬态液动力的研究工作较少，而且未见统一的理论计算公式。 本论文主要研究高水基节流阀的流场特性。 应用流场数值模拟及可视化方法进行分析，要研究清楚节流阀流场的流动特性和力特性及其影响因素，确定出该阀所受稳态液动力的大小，漩涡和 脱流附壁现象产生的区域，找出阀结构中的薄弱环节，以分析阀的性能，并为此类节流阀的优化设计提供可靠的理论依据。 这对于降低安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 10 实验研究费用，缩短前期研发周期，加快高水基技术发展的进程，对于提高阀的使用寿命和工作性能，提高阀的通流能力，减小泄漏和压力损失，改善加工工艺设计，解决节流阀存在的一些主要问题等都有一定的指导意义。 对于保证整个使用高水基介质传动的液压支架电液控制系统和煤矿安全而高效地生产都具有十分重要的现实意义。 本文的研究内容 对液压元件内部流场进行数值模拟，本课题中使用 CFD 软件来进行仿真研究。 参数化建模，可方便地修改机 构 参数，如开口度变化，流道性状， 阀结构等变化，建模简单，快捷。 可从 CAD/CAE 系统中直接读入 数据，具有灵活方便的几何修正功 能和功能强大的网格划分工具。 对导入的网格进行仿真分析。 用户 可根据自己的特殊需要编制 自己 的 UDF，定制特殊的边界条件、实 现动网格等。 可采用自适应网格 根据流场的特性局部细化网格。 根据所研究的侧重点，确定研究对象的初始状态。 确定参数特征，即具体尺寸。 SolidWorks Gambit Fluent 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 11 本次设计的主要内容有： 单向节流阀的结构设计； 单向节流阀的流道分析； 流道流场模拟分析； 单向节流阀的三维建模图； 毕业论文一篇。 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景和意义，分析了当前单向节流阀的主要方向，给出了单向节流阀所面临的主要技术难题并提出了基本的解决方案，确定了本课题的主要工作和采取的技术路线。 本章对节流阀的结构、特点、应用和发展方向等进行了侧重分析，并提出了现代科学技术，尤其是计算机科学技术及流体分析软件 的开发和应用，对单向节流阀的各方面技术等的改进起着至关重要的作用。 同时，在现代先进的科学技术支持下，我们也对单向节流阀的发展提出了各种良好期望与憧憬。 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 12 第二章 单向节流阀的设计 单向节流阀的结构和工作原理 : 单向节流阀根据油液流动方向的不同，既可以作单向阀使用，又可以作节流阀使用，其结构如下图所示，主要由调节杆、止推、阀体、阀芯和弹簧组成，节流通道呈轴向三角槽式。 单向节流阀的工作原理如下： 图 21 单向节流阀的结构原理图 假设外界（液压泵或者液压阀）输出的液压油从通口 Pj1 流入，产生的油压力作用在阀芯左端面，克服复位弹簧作用在阀芯上的阻力，推动阀芯向右移动，打开节流阀阀口，油液通过径向孔从通口 Pj2 流出。 油液从通口 Pj1 流到通口 Pj2的过程中，油液不节流，可以自由流通，此时单向节流阀主要起单向阀作用。 假设外界（液压泵或者液压阀）输出的油液从通口 Pj2 流入节流阀，需要手动调节调节杆，以克服弹簧作用在阀芯上的阻力，使阀芯作轴向移动，打开阀口。 此时，油液经过阀芯上的三角槽和孔道，从通道口 Pj1 流出。 通过改变节流口三角槽的通流面积，以改变液阻，来控制通过节流阀的流量，实现微量调节。 油液从通口 Pj2 流到通口 Pj1 的过程中，油液要节流，不可以自由通流，此时，单向节流阀主要起到节流阀的作用。 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 13 单向节流阀研究所面临的技术挑战： 1. 腐蚀和腐蚀磨损问题 由于介质有较强的腐蚀性，因此节流阀所用材料应具有较强的耐腐蚀性能。 对于中间主阀口、节流阀口及主阀导向面处，腐蚀与磨损同时存在，两者相互促进，将使零件加速失效。 显然，单向节流阀的材料难以满足腐蚀及腐蚀磨损的要求。 2. 气蚀问题 当液流流经节流口的喉部位置时，根据伯努利方程，该处的压力要降低。 如压力低于液压油工作温度下 的空气分离压，溶解在油液中的空气将迅速地大量分离出来，变成气泡。 这些气泡随着液流流到下游压力较高的部位处时，会因承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声而引起振动，当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴，节流口下游部位可发现这种腐蚀的痕迹，这种现象称为气蚀。 单向节流阀随着工作介质的不同，气蚀分为气体气蚀和汽化气蚀两种。 由于液压油的汽化压力很低，同时空气在液压油中的溶解度较高，所以油压阀的气蚀主要表现为气体气蚀。 相同条件下空气在水中的溶 解度约为液压油的 2O倍，而水的汽化压力 (50℃ 时 12kPa)比液压油 (50℃时 )高 1O倍，因此水压控制阀中起主导作用的是汽化气蚀。 水压阀与油压阀气蚀本质的不同，决定了其危害性比油压阀的气蚀严重。 当阀的工作压力较高时，主阀口和先导阀口将在较大的压差下工作，使阀口流速很高，极易发生汽化气蚀。 3. 拉丝侵蚀和泄漏问题 在单向节流阀中，高速流体会对配合面产生很强的冲刷作用，久而久之会在零件表面形成一条条丝状凹槽，这种现象称为拉丝侵蚀。 当高速流体中携带污染颗粒时，其破坏作用大大加剧。 主阀口、节流阀口及 主阀芯导向面处都是易产生泄漏和拉丝侵蚀的部位。 4. 振动、噪声和工作稳定性问题 由于介质的压力冲击，在单向节流阀中易产生水锤现象。 噪声会给工作环境带来噪声污染；振动会引起节流阀表面损伤，并导致节流阀的静态性能下降、控制压力失调等后果，反过来又加剧了振动和噪声。 因此节流阀的振动、噪声对单向节流阀的工作性能、可靠性和使用寿命都有很大影响。 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 14 解决措施及设计 针对单向节流阀的上述关键技术难题，设计了下面的解决方法。 气蚀问题的解决措施 节流阀气穴发生的程度可用气穴系数 δ 表示。 δ 越大，气穴现 象越严重。 δ的表达式为 121 vpppp   （ 21） 式中， 1p 为节流阀入口压力； 2p 为节流阀出口压力； vp 为饱和蒸汽压。 为减小气穴的发生及其危害，应尽量使 δ 小。 由式 (1)可知，要减小 d，只有降低入口压力或提高出口压力值。 这种方法的实际应用就是把单节流阀口设计成两级节流阀口的形式 ，则每级阀口的气蚀系数分别 1 121 1 vpppp   （ 22） 12 22 12 vpp   （ 23） 式中， 12p 为两节流阀口间的压力。 与单级阀口的气穴系数 δ 相比， 1 、 2 分别因出口压力提高和 入口压力降低而减小。 较典型的例子是日本设计的两级：平板式节流阀口的形式和芬兰采用的两级锥阀式节流阀口 (如图 21)。 图 22 两级锥阀式节流阀口 在本次设计中，单向节流阀在解决气蚀问题方面，主要采取了以下措施： 在液压系统中的任何地方，只要压力低于空气分离压，就会发生空穴现象。 为了防止空穴现象的发生，就是要防止液压系统中的压力过度降低。 具体措施有以下： （ 1）理设计阀口的形状和结构参数 阀芯与阀座的形状和结构参数与气蚀有密切关系。 为减弱气蚀，单向节流阀安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 15 阀口在结构上主要有以下特 点：① 主阀芯采用带圆弧的平端锥阀结构。 相对于圆锥形和球形锥阀结构，平端锥阀 (截去圆锥 )的抗气蚀性能较强。 ② 主阀的锥角较小，并且阀芯锥角大于阀座锥角。 对外流式锥阀，当锥角较小时，由于流体收缩小，出口压力较高，因而不易出现气穴现象。 由于压力最低处一般位于收缩部位附近，此处流速很高，当阀芯锥角小于阀座锥角时，气穴发生在阀口处，反之，则发生在阀口下游。 实验研究表明，当阀芯锥角小于阀座锥角时，阀口较容易出现。