液壓滑閥內部流場可視化仿真研究及試驗測試.pdf

1、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。現今的仿真研究中主要采用二維、單相流模型對閥內流場進行分析，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

2、，然而由于其忽略了氣穴現象導致的相變引起流體密度等參數的變化，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流、外流工況下的流場進行分析。主要針對氣穴現象、穩(wěn)態(tài)液動力、流量特性進行了深入研究。發(fā)現大流量、小閥口開度、小出口壓力會促使內、外流式滑閥氣穴的發(fā)生；提出臨界開度的概念，內流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力在

3、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、小尺寸復雜閥內流場檢測具有普適性；在對流量系數的研究中發(fā)現，小開度時壓差對于流量系數的影響較大，流量系數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(2014032100

4、8-02)的資助。
　　論文研究的主要內容如下：
　　(1)首先闡述了本課題研究的目的和意義；其次對國內外液壓閥的研究現狀、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，提出單相流模型由于忽略了氣穴現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、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

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、外流式非全周開口滑閥的氣穴現象，發(fā)現氣穴現象在流場的最低壓力區(qū)域發(fā)生。內流式滑閥的氣穴發(fā)生在閥腔內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)域對應其氣穴發(fā)生的位置及區(qū)域。
　　(4)分析內、外

7、流式滑閥壁面壓力分布、穩(wěn)態(tài)液動力隨著流量、閥口開度、出口壓力的變化情況。提出一種壁面壓力分布的測量方法，并將試驗測量的壁面壓力分布值進行表面積分得到滑閥穩(wěn)態(tài)液動力，將結果與仿真結果比較，二者趨勢相同。結果表明：內、外流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力隨流量的增大而增大；在對內流式滑閥穩(wěn)態(tài)液動力與閥口開度關系的研究中，提出臨界開度的概念，閥口開度達到臨界開度時，穩(wěn)態(tài)液動力由趨于閥口關閉改為趨于閥口打開。外流式滑閥穩(wěn)態(tài)液動力隨閥口開度的增大而增大，且其穩(wěn)

8、態(tài)液動力的方向始終指向閥口關閉的方向；出口壓力較小時，隨著出口壓力的增大，內流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力有增大的趨勢，外流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力受出口壓力影響不明顯；外流式滑閥穩(wěn)態(tài)液動力公式計算值與仿真吻合較好，內流式滑閥公式計算誤差較大。
　　(5)論文研究了內流式滑閥與外流式滑閥的流量系數與流量、閥口開度、出口壓力的關系，設計了流量系數試驗系統(tǒng)，試驗研究了流量、閥口開度對流量系數的影響。結果表明：流量、閥口開度、出口壓力均對流量系數有影響

9、，而且其中一個量恒定，另外兩個量的變化是相關聯(lián)的，因而哪個參數起主導作用決定了流量系數的變化趨勢。流量恒定時，內流式滑閥流量系數隨閥口開度的增大而減小；外流式滑閥在閥口開度較小時，流量系數隨閥口開度的增大而增大，這是因為氣穴的減弱使壓差減小，流量系數的變化中壓差起主導作用，開度較大時，隨閥口開度的增大而減?。婚y口開度恒定時且其值較小時，在小流量范圍，內、外流式滑閥流量系數隨流量增大而增大，流量較大時，變化不明顯，中間段，隨流量增大而減小

10、，這是因為流量的增大使壓差增大，壓差起主導作用，導致了流量系數的減小。閥口開度較大，出口壓力較小時，流量系數隨流量增大而減小。在在流量恒定，出口壓力較小時，內、外流式滑閥流量系數時，隨出口壓力的增大而增大；外流式滑閥流量系數與內流式滑閥流量系數并不相同。傳統(tǒng)上將流量系數取固定值不完全合理。
　　(6)總結了本論文的研究內容及其獲得的成果，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