液壓滑閥內(nèi)部流場(chǎng)可視化仿真研究及試驗(yàn)測(cè)試.pdf

1、隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，對(duì)主要液壓控制元件（伺服閥、比例閥）的性能要求越來(lái)越高，而氣穴、液動(dòng)力、流量特性等是影響其性能的主要因素。采用流場(chǎng)仿真軟件分析液壓閥流場(chǎng)并研究氣穴、液動(dòng)力、流量特性等問(wèn)題有助于液壓閥性能的優(yōu)化?，F(xiàn)今的仿真研究中主要采用二維、單相流模型對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，分析中假設(shè)液壓閥結(jié)構(gòu)對(duì)稱，然而由于進(jìn)出流道的影響，一般的液壓閥都不具有中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因而用二維模型描述三維結(jié)構(gòu)使得仿真誤差較大。單相流模型具有計(jì)算時(shí)間短、易收斂等優(yōu)點(diǎn)

2、，然而由于其忽略了氣穴現(xiàn)象導(dǎo)致的相變引起流體密度等參數(shù)的變化，不能準(zhǔn)確模擬氣穴流場(chǎng)。
　　論文以液壓比例閥、伺服閥中常用的閥套上開(kāi)節(jié)流槽的大通徑液壓滑閥為具體研究對(duì)象，運(yùn)用三維兩相流數(shù)值仿真、理論分析、試驗(yàn)研究相結(jié)合，對(duì)非全周開(kāi)口液壓滑閥內(nèi)流、外流工況下的流場(chǎng)進(jìn)行分析。主要針對(duì)氣穴現(xiàn)象、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力、流量特性進(jìn)行了深入研究。發(fā)現(xiàn)大流量、小閥口開(kāi)度、小出口壓力會(huì)促使內(nèi)、外流式滑閥氣穴的發(fā)生；提出臨界開(kāi)度的概念，內(nèi)流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力在

3、開(kāi)度達(dá)到臨界開(kāi)度時(shí)使閥口趨于開(kāi)啟；提出一種對(duì)整個(gè)壁面壓力分布進(jìn)行測(cè)量的方法，并通過(guò)表面積分得到滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。該方法對(duì)于高壓、高速、小尺寸復(fù)雜閥內(nèi)流場(chǎng)檢測(cè)具有普適性；在對(duì)流量系數(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，小開(kāi)度時(shí)壓差對(duì)于流量系數(shù)的影響較大，流量系數(shù)隨著閥口開(kāi)度的增大有增大的趨勢(shì)。研究成果對(duì)于液壓閥的設(shè)計(jì)與控制具有較大的理論價(jià)值和顯著的工程實(shí)用性。
　　本課題得到國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目（51175362）、山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2014032100

4、8-02)的資助。
　　論文研究的主要內(nèi)容如下：
　　(1)首先闡述了本課題研究的目的和意義；其次對(duì)國(guó)內(nèi)外液壓閥的研究現(xiàn)狀、發(fā)展概況進(jìn)行了介紹；之后綜述了液壓閥氣穴、液動(dòng)力、流量特性的研究進(jìn)展；然后簡(jiǎn)述了流場(chǎng)仿真技術(shù)及其測(cè)試技術(shù)在液壓中的應(yīng)用情況；最后概括本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　(2)介紹了課題研究的理論基礎(chǔ)。并用GAMBIT軟件建立了所研究滑閥的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，分別用單相流模型與兩相流模型仿真分析了

5、所研究滑閥的流場(chǎng)，提出單相流模型由于忽略了氣穴現(xiàn)象對(duì)于流體密度及其流場(chǎng)的影響，不能準(zhǔn)確模擬氣穴流場(chǎng)，進(jìn)一步提出采用兩相流模型模擬氣穴流場(chǎng)的必要性。
　　(3)論文對(duì)液壓閥的內(nèi)流、外流兩種工況，進(jìn)行了深入研究。研究中首先對(duì)仿真中研究的每個(gè)閥口開(kāi)度建立對(duì)應(yīng)的三維模型，并劃分網(wǎng)格，采用兩相流模型+氣穴模型+RNG（Renormalization Group）湍流模型，仿真分析了內(nèi)、外流式非全周開(kāi)口滑閥流量、閥口開(kāi)度、出口壓力對(duì)其流場(chǎng)的影

6、響，利用得到的速度矢量圖、壓力分布圖、氣相體積分布云圖等分析內(nèi)、外流式非全周開(kāi)口滑閥的氣穴現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)氣穴現(xiàn)象在流場(chǎng)的最低壓力區(qū)域發(fā)生。內(nèi)流式滑閥的氣穴發(fā)生在閥腔內(nèi)靠近入口位置的閥芯壁面附近，外流式滑閥的氣穴發(fā)生在閥口下游處，同樣條件下，外流式氣穴更嚴(yán)重。氣穴區(qū)域隨著流量的增大、閥口開(kāi)度的減小、出口壓力的減小而增大。提出了一種壁面壓力分布的測(cè)量方法，測(cè)量所得壁面壓力分布的最低壓力區(qū)域?qū)?yīng)其氣穴發(fā)生的位置及區(qū)域。
　　(4)分析內(nèi)、外

7、流式滑閥壁面壓力分布、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力隨著流量、閥口開(kāi)度、出口壓力的變化情況。提出一種壁面壓力分布的測(cè)量方法，并將試驗(yàn)測(cè)量的壁面壓力分布值進(jìn)行表面積分得到滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，將結(jié)果與仿真結(jié)果比較，二者趨勢(shì)相同。結(jié)果表明：內(nèi)、外流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力隨流量的增大而增大；在對(duì)內(nèi)流式滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與閥口開(kāi)度關(guān)系的研究中，提出臨界開(kāi)度的概念，閥口開(kāi)度達(dá)到臨界開(kāi)度時(shí)，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力由趨于閥口關(guān)閉改為趨于閥口打開(kāi)。外流式滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力隨閥口開(kāi)度的增大而增大，且其穩(wěn)

8、態(tài)液動(dòng)力的方向始終指向閥口關(guān)閉的方向；出口壓力較小時(shí)，隨著出口壓力的增大，內(nèi)流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有增大的趨勢(shì)，外流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力受出口壓力影響不明顯；外流式滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力公式計(jì)算值與仿真吻合較好，內(nèi)流式滑閥公式計(jì)算誤差較大。
　　(5)論文研究了內(nèi)流式滑閥與外流式滑閥的流量系數(shù)與流量、閥口開(kāi)度、出口壓力的關(guān)系，設(shè)計(jì)了流量系數(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了流量、閥口開(kāi)度對(duì)流量系數(shù)的影響。結(jié)果表明：流量、閥口開(kāi)度、出口壓力均對(duì)流量系數(shù)有影響

9、，而且其中一個(gè)量恒定，另外兩個(gè)量的變化是相關(guān)聯(lián)的，因而哪個(gè)參數(shù)起主導(dǎo)作用決定了流量系數(shù)的變化趨勢(shì)。流量恒定時(shí)，內(nèi)流式滑閥流量系數(shù)隨閥口開(kāi)度的增大而減??；外流式滑閥在閥口開(kāi)度較小時(shí)，流量系數(shù)隨閥口開(kāi)度的增大而增大，這是因?yàn)闅庋ǖ臏p弱使壓差減小，流量系數(shù)的變化中壓差起主導(dǎo)作用，開(kāi)度較大時(shí)，隨閥口開(kāi)度的增大而減??；閥口開(kāi)度恒定時(shí)且其值較小時(shí)，在小流量范圍，內(nèi)、外流式滑閥流量系數(shù)隨流量增大而增大，流量較大時(shí)，變化不明顯，中間段，隨流量增大而減小

10、，這是因?yàn)榱髁康脑龃笫箟翰钤龃?，壓差起主?dǎo)作用，導(dǎo)致了流量系數(shù)的減小。閥口開(kāi)度較大，出口壓力較小時(shí)，流量系數(shù)隨流量增大而減小。在在流量恒定，出口壓力較小時(shí)，內(nèi)、外流式滑閥流量系數(shù)時(shí)，隨出口壓力的增大而增大；外流式滑閥流量系數(shù)與內(nèi)流式滑閥流量系數(shù)并不相同。傳統(tǒng)上將流量系數(shù)取固定值不完全合理。
　　(6)總結(jié)了本論文的研究?jī)?nèi)容及其獲得的成果，展望未來(lái)的研究工作。論文的研究成果進(jìn)一步完善了有關(guān)液壓閥流體力學(xué)的基本理論，分析了閥套上開(kāi)節(jié)流