【摘要】：隨著液壓技術的發(fā)展,對主要液壓控制元件(伺服閥、比例閥)的性能要求越來越高,而氣穴、液動力、流量特性等是影響其性能的主要因素。采用流場仿真軟件分析液壓閥流場并研究氣穴、液動力、流量特性等問題有助于液壓閥性能的優(yōu)化。現(xiàn)今的仿真研究中主要采用二維、單相流模型對閥內(nèi)流場進行分析,分析中假設液壓閥結構對稱,然而由于進出流道的影響,一般的液壓閥都不具有中心對稱結構,因而用二維模型描述三維結構使得仿真誤差較大。單相流模型具有計算時間短、易收斂等優(yōu)點,然而由于其忽略了氣穴現(xiàn)象導致的相變引起流體密度等參數(shù)的變化,不能準確模擬氣穴流場。 論文以液壓比例閥、伺服閥中常用的閥套上開節(jié)流槽的大通徑液壓滑閥為具體研究對象,運用三維兩相流數(shù)值仿真、理論分析、試驗研究相結合,對非全周開口液壓滑閥內(nèi)流、外流工況下的流場進行分析。主要針對氣穴現(xiàn)象、穩(wěn)態(tài)液動力、流量特性進行了深入研究。發(fā)現(xiàn)大流量、小閥口開度、小出口壓力會促使內(nèi)、外流式滑閥氣穴的發(fā)生;提出臨界開度的概念,內(nèi)流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力在開度達到臨界開度時使閥口趨于開啟;提出一種對整個壁面壓力分布進行測量的方法,并通過表面積分得到滑閥穩(wěn)態(tài)液動力。該方法對于高壓、高速、小尺寸復雜閥內(nèi)流場檢測具有普適性;在對流量系數(shù)的研究中發(fā)現(xiàn),小開度時壓差對于流量系數(shù)的影響較大,流量系數(shù)隨著閥口開度的增大有增大的趨勢。研究成果對于液壓閥的設計與控制具有較大的理論價值和顯著的工程實用性。 本課題得到國家自然基金資助項目(51175362)、山西省科技攻關項目(20140321008-02)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;其次對國內(nèi)外液壓閥的研究現(xiàn)狀、發(fā)展概況進行了介紹;之后綜述了液壓閥氣穴、液動力、流量特性的研究進展;然后簡述了流場仿真技術及其測試技術在液壓中的應用情況;最后概括本文的主要研究內(nèi)容。 (2)介紹了課題研究的理論基礎。并用gambit軟件建立了所研究滑閥的三維模型,并對其進行了網(wǎng)格劃分,分別用單相流模型與兩相流模型仿真分析了所研究滑閥的流場,提出單相流模型由于忽略了氣穴現(xiàn)象對于流體密度及其流場的影響,不能準確模擬氣穴流場,進一步提出采用兩相流模型模擬氣穴流場的必要性。 (3)論文對液壓閥的內(nèi)流、外流兩種工況,進行了深入研究。研究中首先對仿真中研究的每個閥口開度建立對應的三維模型,并劃分網(wǎng)格,采用兩相流模型+氣穴模型+rng(renormalizationgroup)湍流模型,仿真分析了內(nèi)、外流式非全周開口滑閥流量、閥口開度、出口壓力對其流場的影響,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)、外流式非全周開口滑閥的氣穴現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)氣穴現(xiàn)象在流場的最低壓力區(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,外流式氣穴更嚴重。氣穴區(qū)域隨著流量的增大、閥口開度的減小、出口壓力的減小而增大。提出了一種壁面壓力分布的測量方法,測量所得壁面壓力分布的最低壓力區(qū)域?qū)錃庋òl(fā)生的位置及區(qū)域。在在流量恒定,出口壓力較小時,內(nèi)、外流式滑閥流量系數(shù)時,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)總結了本論文的研究內(nèi)容及其獲得的成果,展望未來的研究工作。 論文的研究成果進一步完善了有關液壓閥流體力學的基本理論,分析了閥套上開節(jié)流槽的非全周開口滑閥的氣穴現(xiàn)象、穩(wěn)態(tài)液動力、流量系數(shù)特性。研究成果及方法可用于指導液壓閥的設計及控制,其理論價值和工程實用性是顯著的。
【圖文】：

31（b）閥芯 （c）閥套圖 2-1 滑閥及部分零件結構圖Fig. 2-1 Slide valve and parts structure2.2.2 網(wǎng)格劃分與計算采用GAMBIT 軟件對所研究滑閥內(nèi)部閥腔進行建模及網(wǎng)格劃分，為了使計算容易收斂，對模型分區(qū)域劃分網(wǎng)格，，大部分區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，部分區(qū)域采用混合網(wǎng)格。經(jīng)試算比較，單元劃分精度滿足分析要求。所研究模型為非全周滑閥，受進出流道的影響，流動并不滿足中心對稱，不能用二維模型簡化分析。考慮到其三維模型結構具有面對稱的特點，因而只需對半剖模型進行網(wǎng)格劃分。因為在入口和出口部分壓力變化不大，采用較粗網(wǎng)格；閥口部分，由于速度和壓力梯度較大，且存在漩渦，流動較為復雜，對

太原理工大學博士研究生學位論文相體積百分比也會產(chǎn)生變化，其大小會影響到混合密度，影響流氣穴現(xiàn)象引起的流體密度及流場變化，導致結果偏離實際。因此，內(nèi)流場，應采用兩相流模型對流場進行分析。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH137.52

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本文編號：2519150