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                        通過Fluent軟件對滑閥內流場進行數值模擬仿真分析

                        添加時間:2020/04/08 來源:太原理工大學 作者:曹飛梅
                        對閥內漩渦特性的研究以及影響漩渦分布和強度的因素,提出了將直角閥芯結構改進為圓弧型閥芯結構和斜角圓弧型閥芯結構,從流場關鍵參數速度、壓力、湍動能角度出發,對三種不同結構閥芯對閥內漩渦分布和強度的影響進行了分析研究。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          在流體傳動控制系統中,通過各類控制閥來控制流體的流動方向、壓力和流量,從而控制執行機構的運動與速度,保證執行機構按設計的要求帶動負載進行工作;y式液壓閥作為重要的基礎控制閥之一,是利用閥芯相對于閥體的相對運動實現油路的接通和關斷,或者改變液流的方向,從而完成執行元件的啟動、停止和換向。由于實際生產使用的滑閥結構和尺寸種類比較多,通過實驗來觀測液流在滑閥內的實際流動狀態是比較困難的,因此從流場微觀角度對液壓油流經流場狀態進行可視化研究,通過改變閥芯形狀及其它參數改善滑閥流場流動特性,從而對滑閥進行結構優化,提高滑閥工作性能。

                          當液體流經節流口時,閥內流場會重新排布,在該過程中,除了閥口節流帶來能量損失外,閥腔以及閥芯溝槽拐角處也會有漩渦的產生,導致噪聲的產生,從而帶來能量損耗,影響滑閥性能。因此,本文主要對閥內漩渦特性以及影響漩渦分布和強度的因素進行探討,從而實現對閥內漩渦的控制,提高閥內能量利用率,提高滑閥性能。

                          本文通過UG建立不同結構閥芯滑閥的三維流體仿真模型,在GAMBIT軟件中完成不同結構的幾何建模,采用四面體和六面體混合網格完成模型網格劃分,同時對拐角等關鍵研究區域采取了網格局部細化。采用流體計算學(CFD)方法,通過 Fluent 軟件對滑閥內流場進行數值模擬仿真和可視化分析。首先,針對入口和出口節流兩種工況,對不同開口下模型進行穩態仿真,對比分析了開口大小對入口和出口節流閥內流場分布的影響。其次,針對入口節流,在相同開口條件下,對比分析了不同進口速度和不同出口壓力對閥內流場分布的影響。最后,綜合開口以及不同邊界因素對閥內流場的影響,對閥內漩渦分布和強度進行定性和定量分析,根據分析結果,對閥芯溝槽底部拐角結構進行改進。傳統的滑閥閥芯溝槽底部采用直角形式,主要為了加工方便,但隨加工技術的進步,數控加工已非常普遍,溝槽加工成什么形狀并不會提高加工成本。因此,本文將閥芯溝槽底部直角結構改為圓弧型和斜角圓弧型,通過 Fluent 軟件對改進后模型進行仿真計算,對改進前后不同閥芯結構滑閥的速度、壓力、湍動能分布圖進行對比分析,從理論上對結構改進的合理性進行驗證。

                          關鍵詞:滑閥閥芯,結構形狀,Fluent,漩渦,能量損失,結構改進

                        ABSTRACT

                          In the fluid transmission control system, various types of control valves are used to control the flow direction, pressure, flow of the fluid and to realize the control of the movement and speed of the actuator. And it is ensured that the actuator drives the load to work as designed. Spool valve type hydraulic valve is one of the most important control valves, which uses the relative movement of the valve core to the valve body to control the opening and closing of the oil circuit or change the direction of the flow to control the start, stop and commutation of the actuator. There are many types of slide valve structures and sizes used in actual production. It is difficult to observe the actual flow state of the liquid flow in the slide valve through experiments. Therefore, the flow field state of the hydraulic oil is visualized through the flow field microscopic view. The valve core shape and other parameters are changed to improve the flow characteristics of the spool flow field and the working performance of the spool valve.When the liquid flows through the spool valve port, the trajectory of the fluid in the valve will be redistributed. In the process, the valve orifice will cause energy loss. And there will also be vortices generated at the valve chamber and corners of the valve groove, which causes noise, leads to energy loss and affects spool valve performance. Therefore, this article mainly discusses the vortex characteristics in the valve and the factors that affect the distribution and strength of the vortex, so as to achieve the control of the vortex development inside the valve, improve the energy efficiency in the valve and the performance of the slide valve.

                          In this paper, the three-dimensional fluid simulation models of the spool valve are established by UG, the geometric models of different structures are completed in GAMBIT, Tetrahedral and hexahedral hybrid meshes are used to complete the meshing of the model, and local refinement of the grid is used for key research areas such as corners. Fluid simulation (CFD) method is used to simulate and visualize the flow field in slide valve by Fluent. Firstly, under the two conditions of inlet and outlet throttling, the steady state simulation is performed for the models with different openings, and the influence of the opening size on the flow field distribution in the inlet and outlet throttle valves is coMPared and analyzed. Secondly, under the condition of inlet throttling and the same opening, the effects of different inlet speeds and different outlet pressures on the flow field distribution in the valve are coMPared and analyzed. Finally, according to the influence of the opening and the different boundary factors on the flow field in the valve, the vortex distribution and strength in the valve are qualitatively and quantitatively analyzed. Based on the analysis results, the bottom corner structure of the valve core groove is improved. The bottom of the traditional slide valve groove is in the form of a right angle, mainly for the convenience of processing, but with the advancement of processing technology, numerical control processing has become very common. The processing of the groove into any shape does not increase the processing cost. Therefore, in this paper, the right-angle structure of the bottom of the valve core groove is changed to circular arc type and angled arc type, and the improved models are simulated and calculated by Fluent. The distribution graphs of the velocity, pressure and turbulence energy of the slide valve with different valve core structures are coMPared and analyzed, and the rationality of structural improvement is verified theoretically.

                          KEY WORLDS: spool valve core, structure shape, Fluent, energy loss, structural improvement

                          液壓傳動是通過控制一定壓力條件下流體介質的運動,從而實現對傳動過程中質量、能量和動量控制的一種傳動方式,和已有的傳統方式相比較,液壓傳動有一定技術方面的優勢[1]:首先,在相同功率條件下,在輸出相同大小的動力時,所需要的液壓裝置要比其他傳動裝置小很多,且重量輕。其次,在對壓力或者流量進行傳遞的過程中,除了可以通過不同的液壓元件完成對傳遞方向的調節外,對流經系統的流量也有較好的控制。

                          同時,在動力的傳送過程中,可實現動力的多方位傳遞。因此,液壓傳動廣泛應用于各個行業。在國防工業方面,很多武器裝備以及各種飛行系統均采用了液壓技術,如坦克穩定系統,飛機操舵系統,導彈和火箭的發射系統等,該技術的應用減少了很多設備的重量,增強了系統穩定性,為武器設備的二次研發提供了關鍵技術。在工程應用機械方面,從起初的基礎設備到后來不同種類的重型設備,液壓技術均為設備研發提供了新的技術和方向,如刨床、銑床以及挖掘機、推土機等。在冶金工業方面,液壓技術為控制系統的轉型提供了關鍵技術,使冶金設備實現了不同程度的自動化控制,如電爐、轉爐和高爐控制系統。在食品及化工工業方面,液壓技術應用于中小型食品廠和化工廠的各種小型機械設備中,如印刷機,液體裝瓶機,塑料包裝機等。除此之外,計算機信息技術的快速發展,使液壓技術在持有自己傳統應用的基礎上,有了更進一步的發展,結合計算機的智能控制系統,為電子技術的發展和現代控制技術的應用提供了技術支持,成為現代工程的主要控制手段。但是,液壓技術也因其泄漏問題、對污染敏感以及維護性差等缺點,使其在某些領域的應用受到一定的限制[2],從而可能被其它傳動取而代之。

                          目前,已經有部分設備運用新的傳動方式取代了原有的液壓傳動,如電控伺服系統已廣泛應用于機床和微型塑料成型機。盡管如此,液壓技術在現有技術的支持下,不同程度的克服某些缺點,使其在不同應用領域都有新的發展。

                          隨著近幾十年的發展,液壓技術在現有技術的快速推動下,將應用領域迅速擴張到高科技成果應用,如機電一體化和新工藝新材料等,使液壓技術在和其它傳動方式的競爭中,一直處于優勢狀態。在大幅度提高產品質量的同時,高科技與液壓技術的結合也給傳統的液壓技術指出了新的發展道路和方向。盡管現有的液壓技術已經成為解決絕大多數工程問題強有力的技術手段,仍然有一定的提升空間,為了緊隨高科技技術的發展,液壓技術還需要從以下幾個方面來提升自己的競爭優勢:

                          在液壓節能技術的發展過程中,總存在或大或小的能量損耗,尤其是在機械能和壓力能互相轉換的過程中,能量損耗不可避免,因此在液壓元件和液壓系統的選取方面,要盡可能的減小內部節流損失,提高系統能量利用率。在高科技的引領下,液壓技術從元件乃至系統的組成方面,都將節能放在首要位置,因此,其系統構造也變得較為復雜,對液壓元件密封和泄露要求也隨之提高,從而達到減少液壓元件相互連接過程中的能量損失的目的,而新型材料的研究為液壓元件和液壓系統的集成化和一體化提供了新的研究方向。

                          污染分為兩大類,第一種是系統外部環境的污染源對系統內部的入侵,第二種是在生產產品過程中,系統內部釋放的污染源對外部環境的污染。因此,在抵制污染以及抑制其擴散的過程中,分別從以上兩個角度實行有效控制,從而切斷其污染的根源。過去,對外面環境污染源的控制主要考慮固體顆粒,忽略了液體和氣體給系統帶來的污染,然而,近年來的研究表明,液體和氣體的入侵也會給生產系統帶來嚴重的影響,因此,在今后的液壓發展中,要嚴格控制液體和氣體污染源入侵系統,從而實現對外部污染源的控制。另一方面,將新型密封材料應用于液壓元件和液壓系統的設計,提高系統內部密封性,同時開發出去污能力和抗污染能力較強的新型液壓元件,從而提高系統抵抗外部污染的能力。另外,環保和綠色是當今時代發展的主題,對產品生產過程中產生的污染,要實現集中處理,控制對外部周邊環境的污染。

                          為了盡可能的利用液壓技術響應快、可柔性強以及智能化等優點,原來較為單一的液壓系統逐步向一體化方向邁進,為了更好的滿足機電液一體化的需求,需要提高液壓元件在耐磨性、高效率等各方面綜合性能,實現產品標準化設計。如開發低成本、低功耗的電控閥門,開發適用于像野外環境條件的電液比例閥,以及研發不需要通過信息轉換,可以直接與計算機端口進行連接的高頻率、低功耗的電控數字閥。

                          近年來,隨著人們對保護環境、綠色開發的日益關注,新型材料在液壓技術方面的應用,使其在發展道路上有了質的飛躍,如使用菜油基等代替礦物質油,既滿足了流體力學的需要,又解決了液壓油受環境溫度的影響。除此之外,各種工藝技術也相繼融入進液壓技術中,像鑄造工藝和液壓技術的結合,完成了多個單一液壓元件之間的順序組合,使其成為一個整體,去除了原有的管道連接,避免了油液在各元件之間的泄露,讓整個系統的密封性能有所提高,減少了不必要的能量損失。

                        通過Fluent軟件對滑閥內流場進行數值模擬仿真分析:

                        速度矢量圖與速度云圖
                        速度矢量圖與速度云圖

                        開口 1mm 對稱面流場分布圖
                        開口 1mm 對稱面流場分布圖

                        電磁換向閥工作原理示意圖
                        電磁換向閥工作原理示意圖

                        多路閥閥片
                        多路閥閥片

                        入口節流式滑閥結構示意圖
                        入口節流式滑閥結構示意圖

                        出口節流式滑閥結構示意圖
                        出口節流式滑閥結構示意圖

                        滑閥網格劃分示意圖
                        滑閥網格劃分示意圖

                        目 錄

                          第一章 緒論
                            1.1 液壓技術的發展概況及發展趨勢
                            1.2 課題研究背景與意義
                            1.3 課題研究現狀
                            1.4 課題主要研究內容
                          第二章 計算流體力學相關內容
                            2.1 計算流體動力學
                              2.1.1 計算流體動力學的理論概述
                              2.1.2 計算流體動力學的基本控制方程
                            2.2 湍流模型介紹
                              2.2.1 湍流特性
                              2.2.2 湍流模型
                            2.3 CFD 計算方法介紹
                              2.3.1 SIMPLE 算法介紹
                              2.3.2 SIMPLE 算法流程
                            2.4 Fluent 軟件介紹
                              2.4.1 Fluent 軟件結構
                              2.4.2 Fluent 軟件特點
                            2.5 Tecplot 軟件介紹
                            2.6 本章小結
                          第三章 滑閥解析模型的建立
                            3.1 滑閥基本介紹
                              3.1.1 滑閥工作原理
                              3.1.2 滑閥結構在液壓系統中的應用
                            3.2 幾何模型和網格劃分
                              3.2.1 UG 建立幾何模型
                              3.2.2 模型網格劃分
                            3.3 仿真條件設定
                              3.3.1 解析設定
                              3.3.2 邊界條件設定
                              3.3.3 求解設置
                            3.4 本章小結
                          第四章 滑閥穩態流場特性分析
                            4.1 不同閥口開度下滑閥穩態流場分析
                              4.1.1 入口節流分析
                              4.1.2 出口節流分析
                              4.1.3 小結
                            4.2 不同邊界條件下滑閥穩態流場分析
                              4.2.1 不同進口速度下滑閥穩態流場分析
                              4.2.2 不同出口壓力下滑閥穩態流場分析
                            4.3 初步優化后滑閥穩態流場分析
                              4.3.1 初步優化滑閥結構及原理
                              4.3.2 初步優化后滑閥穩態流場分析
                            4.4 二次優化后滑閥穩態流場分析
                              4.4.1 二次優化滑閥結構及原理
                              4.4.2 二次優化后滑閥穩態流場分析
                            4.5 本章小結
                          第五章 總結與展望
                            5.1 全文總結
                            5.2 工作展望
                          參考文獻
                          致謝
                          攻讀碩士學位期間的成果及發表的論文

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