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高压容腔三维流场的有限元数值计算及其在球形稳压器优化设计中的应用研究

苏欣平  
【摘要】:本文在参阅大量国内外有关流体动力技术、计算流体力学,流场的数值计算方法、流场实验可视化技术、计算机数字图像处理技术等相关资料的基础上,推导确定复杂流道流体流动的数学模型以及湍流二方程模式和三维薄边界层基本微分、积分方程,用有限元数值计算方法对高压容腔复杂流场的速度流场、静动态压力场进行较为详细和系统的三维数值模拟,将计算结果以可视化的图形图像形式给出。在此基础上定性、定量分析流体振动噪声、能量损失与流场结构之间的关系。将高压容腔三维流场的有限元数值计算的理论、方法以及遗传算法应用于球形稳压器优化设计中,以验证理论、方法的正确性。最后对球形稳压器进行压力损失及压力脉动测试实验研究。为设计高效率、低能耗、低噪声的球形稳压器奠定基础,具有重要的理论意义和实际应用价值。主要研究内容包括: 1、综述液压动力系统的发展趋势及本课题研究的目的意义,概述计算流体力学中的各种数值计算方法,较为详细地介绍计算流体力学在液压技术中的应用现状,论述流场数值计算可视化技术,及流场实验可视化技术中的各种方法,阐述计算机数字图像处理在流场实验可视化中的应用。确定本文的主要研究内容。 2、从连续性方程和Navier-Stokes方程出发,根据变分有限元原理,推导出椭圆形方程的积分表达式;推导出雷诺剪应力转移方程、湍流一方程模式和湍流二方程模式,并讨论各项的物理意义以及参数的取值;推导出三维薄边界层基本微分方程以及动量积分方程。 3、详细叙述流体有限元数值计算的步骤。运用流体有限元方法进行三维流场的数值计算、仿真,并将其应用于球形稳压器三维流场有限元分析中,得出不同模型参数下流场的速度矢量分布以及静、动态压力分布。定性分析涡旋的产生对流体噪声,能量损失等可能产生的影响。 4、提出一种基于遗传算法的球形稳压器结构参数的优化设计方法。该方法以降低压力损失和消减压力脉动为优化目标,利用遗传算法通过使球形稳压器结构在满足一系列约束条件下压力损失和压力脉动最小化来搜索最佳的几何参数和流动参数。对球形稳压器模型进行压力损失及压力脉动测试实验,并对实验结果进行误差分析。


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