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水介质锥阀流场可视化仿真及试验研究

张立亭  
【摘要】:液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一,随着科技的发展,对液压系统中阀件的性能要求会越来越高。液压锥阀作为液压传动与控制中一种重要的基础性元件,具有密封性好,过流能力强,响应快,抗污染能力强,结构简单等特点。但锥阀在工作时流体的流动状况是很复杂的,液体经过阀口时容易产生漩涡,不可避免的会发生气穴现象,影响阀的性能,同时液动力也是影响阀性能的主要因素。因此研究液压阀的气穴现象和液动力对于提高阀的性能有着重要的意义。论文以纯水为介质的复杂流道的锥阀和普通锥阀作为具体的研究对象,利用Fluent进行流场仿真时单向流模型由于忽略气穴现象导致的流体某些参数的变化,不能准确的模拟流场,所以采用三维两相数值模拟和试验验证相结合的方式进行了可视化研究,以不同的阀芯几何结构和不同的阀芯开口作为主要研究的影响因素,来寻求气泡产生的位置和数量的影响规律。针对液压锥阀的特点,建立不同阀芯开口阀的流场三维模型,进行网格划分,采用两相流模型、气穴模型和标准k-?湍流模型,得到了流场的压力场、速度场、气体体积分数的分布云图,分析了边界条件和关键几何结构尺寸对锥阀气穴的影响特点和规律,发现气穴现象发生在流场最低压力区域。发现边界条件对锥阀气穴有显著的影响,进口压力降低,会使低压区域减小,压降减小,气穴减弱,反之则会使气穴增强;阀芯开口越大,阀口流通面积越大,流速下降,压降减小,从而气穴减弱甚至完全被抑制;阀芯锥角对气穴有显著的影响,当锥角减小时会减弱气穴现象,对于平底的阀芯锥阀更容易产生气穴;相同条件下,内流式锥阀比外流式锥阀更容易气穴。设计气穴现象及液动力测试的试验台,采用具有良好透明性的有机玻璃材料制造阀块,并应用高速摄像机拍摄阀内气泡和气穴的产生、发育及溃灭过程。从内流式和外流式两种工况入手,得出不同工况下气穴现象的区域以及发生的程度,验证了仿真的可行性和准确性。还得出以下结论:随着阀芯开口的增大,发生气穴的区域会往接近出口处转移。由于液动力的存在会使锥阀的输入信号与阀芯位移呈现不确定关系,而且造成液压阀的不稳定性,影响整个系统的稳定性与可靠性。通过对锥阀阀芯锥面压力进行计算可得阀芯所受稳态液动力。在试验过程中应用力传感器对阀芯所受的力进行采集。


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