气动系统外部结露及判别方法的研究

摘要

随着气动系统在现代社会中应用范围的不断广泛及气动系统向高速化等方向发展,气动系统中的结露问题对系统的影响也越来越大。气动系统的结露会对系统的性能和元件寿命产生不利的影响,所以研究气动系统中的结露,判断结露是否在气动系统中发生已成为亟待解决的课题。气动系统的结露包括内部结露和外部结露两种形式。内部结露是指结露主要发生在气管内壁、气缸内部及其他元件的内部;外部结露主要发生在气缸外部、气管外壁、节流阀和换向阀等元件表面。本文对气动系统的外部结露进行研究,提出对其进行判别的定量方法,对工程实际中气动系统的设计具有一定的指导意义。
　　首先以固定容积容器、节流口和管路组成的气动系统为研究对象,建立了二维轴对称模型。利用有限体积法对二维可压缩 Navier-Stokes方程进行离散,并将适用于可压缩气体非稳态流的 PISO算法用于离散方程的求解,得到了系统的流场。通过元件表面周期温度的变化可判断其表面平衡温度的高低。计算结果表明节流口表面的平衡温度最低,最有可能低于环境露点温度,外部结露首先在节流口的表面发生。
　　对气动系统模型进行了改进,用带有节流效应的气缸充放气模型代替固定容积容器建立二维的模型,并得到了系统的流场。充放气过程中气缸腔内压力变化与实验结果有较好的一致性,验证了所提出的模型及数值计算方法的可行性。将改进后模型中的元件温度与固定容积容器模型中元件的温度进行了比较。流场表明系统中节流阀表面的平衡温度最低,最有可能低于环境露点温度,发生外部结露的可能性最大,与定容积充放气结果一致。改进的气动模型中节流阀表面平衡温度要高于定容积充放气时节流阀表面平衡温度,对应发生外部结露时的最小环境相对湿度大于定容积模型中的最小湿度,缩小了发生外部结露的湿度范围。通过数值计算分析了外界条件对外部结露的影响。
　　以气动充放气系统为研究对象,分析了外部结露发生的原因。当元件表面平衡温度低于外部空气的露点温度,元件附近空气达到过饱和状态,其中的水蒸气在元件表面凝结,形成外部结露;若元件表面的平衡温度高于环境露点温度,空气中的水蒸气不会凝结,无外部结露产生。提出了适合于工程实用的能够判别气动系统是否发生外部结露的快捷方法。假设系统元件的初始温度为环境露点温度,在考虑系统内部气体、元件及外部空气之间的耦合传热的同时比较若干个充放气周期结束时元件表面周期温度的变化趋势,若元件表面周期温度逐渐升高,则系统不会发生外部结露,反之系统将发生外部结露。通过实验验证了判别方法的正确。
　　在恒温恒湿实验室中复现了气动系统的外部结露。通过实验确定了充放气过程中元件表面温度的变化规律,对外部结露的发生部位和结露形式进行了观测,最先出现结露的元件是节流阀,可通过判定节流阀是否结露来判断系统是否出现结露,与理论分析的结论一致。对影响外部结露的因素如环境温度和湿度、供气压力、负载及充放气周期等进行了实验,得到了各因素对结露的影响规律,与理论分析的结果相符。

目录

气动系统外部结露及判别方法的研究

Study on External Condensation of Water Vapor in Pneumatic System and Judgment Method

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题的意义

1.3 气动结露问题的研究现状

1.4 计算流体力学的发展

1.5 凝结的研究现状

1.6 课题的研究内容

第2章 定容积气动系统中外部结露的研究

2.1 引言

2.2 气动系统的模型

2.3 系统的网格划分

2.4 边界条件

2.5 控制方程的离散及求解

2.6 系统的流场分析

2.7 外部结露发生时的湿度

2.8 系统元件表面周期温度与平衡温度

2.9 本章小结

第3章 改进的气动系统中外部结露研究

3.1 引言

3.2 气动充放气模型的改进

3.3 气动充放气系统动网格的划分

3.4 气动充放气系统的边界条件和监测点

3.5 充放气系统的流场分析

3.6 不同条件时的节流阀表面平衡温度

3.7 本章小结

第4章 气动充放气系统外部结露的判别

4.1 引言

4.2 气动系统外部结露的分析

4.3 外部结露的数值模拟判别方法

4.4 数值模拟判别方法的验证

4.5 本章小结

第5章 气动系统外部结露的实验研究

5.1 引言

5.2 实验环境

5.3 外部结露充放气实验

5.4 影响外部结露的因素

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历