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基于CFD对不同结构形状的滑阀阀芯流场可视化分析与研究

曹飞梅  
【摘要】:在流体传动控制系统中,通过各类控制阀来控制流体的流动方向、压力和流量,从而控制执行机构的运动与速度,保证执行机构按设计的要求带动负载进行工作。滑阀式液压阀作为重要的基础控制阀之一,是利用阀芯相对于阀体的相对运动实现油路的接通和关断,或者改变液流的方向,从而完成执行元件的启动、停止和换向。由于实际生产使用的滑阀结构和尺寸种类比较多,通过实验来观测液流在滑阀内的实际流动状态是比较困难的,因此从流场微观角度对液压油流经流场状态进行可视化研究,通过改变阀芯形状及其它参数改善滑阀流场流动特性,从而对滑阀进行结构优化,提高滑阀工作性能。当液体流经节流口时,阀内流场会重新排布,在该过程中,除了阀口节流带来能量损失外,阀腔以及阀芯沟槽拐角处也会有漩涡的产生,导致噪声的产生,从而带来能量损耗,影响滑阀性能。因此,本文主要对阀内漩涡特性以及影响漩涡分布和强度的因素进行探讨,从而实现对阀内漩涡的控制,提高阀内能量利用率,提高滑阀性能。本文通过UG建立不同结构阀芯滑阀的三维流体仿真模型,在GAMBIT软件中完成不同结构的几何建模,采用四面体和六面体混合网格完成模型网格划分,同时对拐角等关键研究区域采取了网格局部细化。采用流体计算学(CFD)方法,通过Fluent软件对滑阀内流场进行数值模拟仿真和可视化分析。首先,针对入口和出口节流两种工况,对不同开口下模型进行稳态仿真,对比分析了开口大小对入口和出口节流阀内流场分布的影响。其次,针对入口节流,在相同开口条件下,对比分析了不同进口速度和不同出口压力对阀内流场分布的影响。最后,综合开口以及不同边界因素对阀内流场的影响,对阀内漩涡分布和强度进行定性和定量分析,根据分析结果,对阀芯沟槽底部拐角结构进行改进。传统的滑阀阀芯沟槽底部采用直角形式,主要为了加工方便,但随加工技术的进步,数控加工已非常普遍,沟槽加工成什么形状并不会提高加工成本。因此,本文将阀芯沟槽底部直角结构改为圆弧型和斜角圆弧型,通过Fluent软件对改进后模型进行仿真计算,对改进前后不同阀芯结构滑阀的速度、压力、湍动能分布图进行对比分析,从理论上对结构改进的合理性进行验证。


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