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液压锥阀空化射流数值模拟与流场可视化研究

袁聪  
【摘要】:锥阀是一种在液压领域里非常普遍而且重要的控制元件。因为其结构简单、运行可靠、抗阻塞能力强等优点,被广泛的应用在涉及到压力调节的场合,或者作为先导级、控制级参与压力、流量的实时监控反馈。尽管锥阀的重要性不言而喻,相关的研究却并不充分,尤其是对于空化射流流场结构及动态特性的研究更是捉襟见肘,这与其重要角色并不匹配。一方面,锥阀的动态性能往往与内部流场结构往往密不可分;另一方面,锥阀包含小尺寸节流结构,而且在实际应用中需要承受极大的压差,空化现象对于锥阀几乎是不可避免的。因此,对锥阀空化射流的深入研究是一个关键的基础性问题。本文针对锥阀内的空化射流问题,开展了数值和实验的联合研究。数值方法采用基于OpenFOAM开源平台开发的深度定制求解器。在实验方法上,主要通过流场可视化的手段对空化形态进行观测;在高速摄像设置中主要使用了光透射法的拍摄方式,结合高强度的LED作为背景光源、低至2ns的曝光时间,从而实现对瞬时空化结构的捕捉;另外光透射法还能提供关于湍流结构、漩涡以及剪切层等多方面的信息,这有助于从多角度揭示锥阀空化射流的流场结构。锥阀空化射流的数值计算结果和实验数据之间的对比显示,两者之间在流量特性曲线、瞬时空化形态、流场特征结构以及空化结构的周期性动态过程等方面都存在比较好的吻合度,这为基于实验和数值结果的深度分析提供了一个牢固的基础。本文的研究重点主要为空化射流的流场结构以及其动态特性,包括以下几个方面:(1)结合小尺寸节流结构的特点,基于OpenFOAM平台开发了极具针对性的可压缩两相空化流求解器;该求解器具有以下几方面的优点:采用VOF方法能够模拟表面张力以及实现气泡之间和两相耦合的直接求解,能够考虑单相可压缩性的影响,对压缩性相关项进行深度隐性离散从而能够更好的处理超/亚声速流动以及压力波的特征结构;并以二维方孔为测试算例对开发的求解器进行了验证,通过计算结果与实验数据的综合对比,证明了该新求解器对小节流结构的空化现象以及其相关效应有比较可靠的预测能力;(2)锥阀的空化诱发机制到目前为止仍然是一个具有争议性的问题。本文从空化射流的特征结构着手,结合空化形态随空化强度提升的演变,并考虑到射流的拟序结构,明确了锥阀射流物理本质,揭示了初始空化结构的形成机制,并探讨了其与流场结构以及锥阀几何结构之间的关系;(3)数值和实验结果同时证实,在阻塞流动状态下,节流口下游区域会发生射流势核的迅猛破碎;结合空化结构在流场中的分布,讨论了流场结构在无空化和严重空化时的差异;这些分析结果为阻塞流动的机制提供了一个全新的解读角度,并结合数值计算结果进行了定性的分析;(4)对射流势核的破碎过程以及产生的原因进行了深入的讨论,分析了空化在破碎过程中起到的作用;随后展示了空化结构的周期性行为,并分析了空化结构的周期性演变过程与射流势核破碎的阶段性特征存在的密切关系;并以此解释了空化结构特征频率随空化强度而缓慢增加的趋势;(5)以流场结构为切入点,展示了三种不同的流动状态及其流场结构,并着重分析了拟序结构在不同流动状态下的差异,包括形成过程、结构形态、动态过程以及演变过程,并在此基础上对流动状态的转变机制进行了深入的分析;(6)为了综合分析流动状态对流动特性的影响,对空化流动和非空化流动进行单独讨论,并在不同的设置下探讨了流动状态的转变与流量特性曲线之间对应关系,并通过两种流动条件的横向对比,定性的分析了空化对流量的影响。引入流量—压差导数作为描述流动特性的一维参数,清晰的呈现了流量特性曲线的阶段性特征,讨论了阶段性特征的表现及形成根源,并分析了出口压力对流量的影响及其原因。


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