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液压节流阀中的空化流动与噪声

陆亮  
【摘要】:随着液压技术朝着高速、高压和大功率的方向发展,其固有问题如噪声问题则愈发严重,社会发展对环境舒适度要求的提高促使液压噪声问题的研究成为十分重要的课题。液压节流阀作为液压系统控制元件,在液压技术中扮演着十分重要的角色,其噪声问题十分严重。液压阀元件噪声分为机械噪声和流动噪声,其中以流动噪声的影响更为显著。液压阀流动噪声又分为空化噪声、流体脉动噪声和一般湍流噪声,目前对空化噪声的研究较多,限于液压阀复杂的流道结构和较高的流动速度,目前的研究还缺乏对空化流动状态的清晰认识,研究成果还停留在一些理论性的假设和经验性的实验结论水平。由于节流阀中空化现象较为显著,导致流体脉动噪声往往被忽略或混淆,相关研究十分少见。 本文结合理论分析、流场仿真及可视化、噪声振动及频谱分析等手段,对两种典型的节流阀口空化流动及其噪声进行了较为系统和深入的研究。通过对阀口空化流场的可视化高速拍摄,获得了阀口空泡流动的动态图像,验证了节流阀空化噪声简化模型的理论假设和推论。通过对空化噪声振动信号的频域分析,得到了空化噪声振动主频实验值,并与理论值进行了对比,解释了实验值普遍小于理论值的原因在于理论推测中未考虑介质粘度的影响,而液压油液的高粘度将大大延缓空泡溃灭时间,导致溃灭噪声主频的降低。在进行空泡流实验观测的同时,发现U型节流阀口中除空泡流外,还能够形成大尺度空化结构,文章对大尺度空化结构的形成、不稳定动力学行为及其对空化噪声的影响进行了研究,完善了空化噪声理论,加深了对液压节流阀空化现象的认识,具有一定的创新性。另外,研究发现,V型节流阀中阀口流向截面具有较好的流动一致性,阀口出流呈现高速射流状,与下游腔体中液体形成强烈剪切,导致流体自激振荡现象,诱发单频噪声,此种流动行为往往与空化流动并存,由此可以解释V型节流阀具有更高的流动噪声量级及噪声具有刺耳啸叫特征的原因。本文研究成果对液压节流阀流动噪声源的分析与判断,流动噪声控制研究具有较大理论价值和工程应用价值。 论文的主要内容如下: 第一章,阐述了本课题研究的重要意义与目的;综述了空化流动和自激振荡剪切流两种流动噪声目前的研究情况;阐述了两种流动噪声在液压节流阀领域的研究进展;概括了本文的主要内容、实验系统及研究方法。 第二章,从声学、水下声辐射基本原理出发,提出单极子噪声辐射类型与声源体积随时间变化具有直接的关系;结合空泡动力学知识分析了单空泡的成长与溃灭过程,给出了空泡溃灭时间的和噪声主频的理论解析,进而利用高速拍摄得到的空泡图像数据计算得到空泡溃灭噪声主频的理论值,并与实验值进行了对比,解释了实验值普遍小于理论值的原因在于理论推断中未考虑介质粘性的影响;高速拍摄得到的阀口空泡流动现象及其随压力参数的变化规律验证了冀宏博士提出的节流阀空化噪声简化模型的理论假设和推论。 第三章,在进行节流阀空泡流高速观测的同时,发现U型节流阀中除空泡流外,还具有固定的大尺度空化结构,随液体流动而呈现出周期性的不稳定行为。本章对大尺度空化结构的形成作了仿真研究,并进行了实验对比,发现空化结构因阀口壁面导向螺旋流动而形成;利用空化数和初生空化数,对空化结构长度的度量进行了无量纲化和归一化处理;对大尺度空化结构的不稳定行为进行了物理解释和数学解析,得到了其运动频率的一般表达式,同时研究了其不稳定行为对空泡流空化噪声频谱的影响。 第四章,通过对V型节流阀中噪声振动频谱及其流动情况的分析与比较,解释了V型节流阀较高能级啸叫噪声来源于空化现象和同时存在流体自激振荡现象。结合V型节流阀结构特征,进行了大量的实验研究,实验结论基本符合目前对流体自激流动现象的共性认识,另外还研究了空化对自激流动现象的影响。 第五章,对论文研究工作和成果进行了总结,并对未来工作进行了展望。


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