液压锥阀气穴分析与流场参数化仿真

摘要

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，构造简单等特点，被广泛应用于液压系统中。锥阀结构虽然简单，但阀内流场却十分复杂。油液经过阀口时容易出现漩涡和速度的重新分布，产生气穴现象，引起流体噪声，严重影响和制约了液压锥阀的应用效能。为此，对液压锥阀流场模拟及气穴的研究得到了人们的广泛关注，成为阀门研究的热点之一，具有重要的学术价值和现实意义。
　　论文针对液压锥阀气穴问题，以外流式简化液压锥阀为研究对象，运用CFD流场数值模拟方法，研究边界条件和几何结构参数对锥阀气穴的影响，进而寻求合理的边界条件和结构参数，以减少和抑制气穴发生，提高液压锥阀的使用效能和工作寿命。论文主要包括四个部分。
　　(1)在介绍阀门气穴相关理论的基础上重点分析了FLUENT流场数值模拟中所采用的湍流模型、多相流气穴模型和近壁处理模型。
　　(2)分别采用HyperMesh和ANSYS完成了液压锥阀流场计算区域二维轴对称模型的前处理，详细阐述了操作步骤和过程，定量给出了HyperMesh划分网格的质量指标，介绍了FLUENT自适应网格的处理方法和实际应用效果。
　　(3)针对液压锥阀阀口喷流的特点，采用RNGk-ε湍流模型与气穴模型，并与双层区近壁模型相结合，应用FLUENT对液压锥阀流场进行了数值计算和模拟，得到了流场的速度、流线、压力和气穴发生后的气体体积比分布。结果表明，在h=1mm，ui=12m/s，po=0.1MPa条件下，气穴在高速、低压的阀口区域出现，气体主要来自于油液中空气的分离。通过大量的仿真测试，分析了进口速度和出口压力边界条件，阀口开度、阀芯半锥角、进口直径、出口直径、出口位置、阀口倒角等关键几何结构尺寸对锥阀气穴的影响特点和规律，为合理选择边界条件和优化锥阀结构参数提供了参考和依据。
　　(4)从应用需求分析出发，提出了基于VB6.0的液压锥阀流场参数化仿真软件总体设计方案，通过各窗体的详细设计完成了软件的开发，给出了实现效果。软件通过APDL宏文件和Journal宏文件操控ANSYS和FLUENT，实现了参数化的液压锥阀流场分析前处理和流场计算，有效地融合与集成了流场计算分析过程中的各种数据和信息，形成了一体化的快速仿真分析平台，降低了对操作者专业软件技能的要求，大大提高了设计分析效率，可广泛应用于锥阀的工程设计和仿真测试。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 气穴现象

1．3 锥阀气穴问题的国内外研究现状

1．3．1 阀门气穴研究的国外现状

1．3．2 阀门气穴研究的国内现状

1．4 课题的研究目的和主要研究内容

第2章 阀门气穴相关理论与流场计算模型

2．1 阀门气穴的相关理论

2．1．1 气穴的产生及发展过程

2．1．2 气穴指数

2．1．3 阀门气穴的危害及抑制措施

2．2 FLUENT阀内流场计算模型

2．2．1 基本方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 多相流气穴模型

2．2．4 近壁处理模型

第3章 锥阀流场分析前处理

3．1 概述

3．2 近壁处理对网格划分的要求

3．2．1 壁面函数对近壁网格的要求

3．2．2 双层区近壁模型对近壁网格的要求

3．3 基于HyperMesh的锥阀流场分析前处理

3．3．1 HyperMesh简介

3．3．2 建模

3．3．3 划分网格

3．3．4 定义单元类型和关联单元集合

3．3．5 设定流体边界

3．3．6 输出FLUENT前处理文件

3．4 基于ANSYS的锥阀流场分析前处理

3．3．1 建模

3．3．2 设置单元类型和单元尺寸

3．3．3 划分网格

3．3．4 设定流体边界

3．3．5 输出FLUENT前处理文件

3．5 FLUENT的自适应网格

3．6 本章小结

第4章 液压锥阀流场计算与气穴分析

4．1 概述

4．2 锥阀流场的计算

4．2．1 计算网格

4．2．2 边界条件

4．2．3 流体属性

4．2．4 计算结果与分析

4．3 边界条件对锥阀气穴的影响

4．3．1 进口速度对气穴的影响

4．3．2 出口压力对气穴的影响

4．4 几何结构参数对锥阀气穴的影响

4．4．1 阀口开度对气穴的影响

4．4．2 阀芯半锥角对气穴的影响

4．4．3 进口直径对气穴的影响

4．4．4 出口直径对气穴的影响

4．4．5 出口位置对气穴的影响

4．4．6 阀口倒角对气穴的影响

4．5 本章小结

第5章 液压锥阀流场参数化仿真软件设计

5．1 概述

5．2 总体设计

5．2．1 需求分析

5．2．2 总体设计

5．2．3 开发工具和技术简介

5．3 锥阀流场参数化仿真软件设计

5．3．1 主窗体设计

5．3．2 流场分析前处理窗体设计

5．3．3 流场计算与分析窗体设计

5．4 实现效果

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文