溢流阀阀口气穴与气穴噪声的研究

摘要

本课题针对溢流阀阀口的气穴现象，用计算流体动力学的方法对锥阀和球阀阀口气穴流场进行了数值模拟，预测了气穴发生区域，模拟得到的气体体积比分布与可视化实验得到的数字图像处理后的气穴图象非常吻合，验证了数值计算的正确性。进一步分析了锥阀、球阀和纯水液压锥阀阀口几何参数与边界条件对气穴的影响。最后，对溢流阀阀芯形状进行了改进，通过对不同结构的流场分析，来寻求气穴减小的阀芯结构。同时对改进前后的阀进行了气穴可视化实验和噪声测试，实验结果与流场分析结果一致，改进后的阀气穴强度和噪声均得到降低。　　首先，本课题针对锥阀阀口喷流的特点，将质量转移方程和气体体积比方程引入RNGk-ε湍流模型，并与两层近壁模型相结合，运用商业化的CFD软件FLUENT对锥阀阀口的气穴流场进行了数值模拟，预测了气穴发生后的气体体积比分布。　　其次，在此基础上，进一步对纯水液压锥阀阀口的气穴流场进行了研究，给出了不同阀口开度、不同阀芯锥角、不同进口流速和不同出口压力下的气穴流场分布。分析了进口流速、出口压力、阀口开度和阀芯锥角对纯水液压锥阀阀口气穴强度的影响。　　然后，对实验观察到的球阀阀口周期性气穴现象进行了流场分析。　　最后，针对阀口形状对气穴的影响，为了抑制阀口气穴，对溢流阀阀芯形状进行了改进，设计了几种不同的阀芯结构，分别对不同的阀芯进行了气穴流场分析和比较，来寻求优化的阀芯结构。实验采用透明的阀体，分别对改进前后不同阀芯阀口气穴现象进行了可视化实验观察和相应的噪声测试和频谱分析。比较相同条件下气穴发生过程，气穴云的变化形态及噪声频谱分析。实验结果与数值分析结果比较吻合，最后得到一种优化的阀芯结构，在相同工况下，它的气穴区域和强度均比较小，而且噪声得到降低。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1液压系统噪声问题及本课题研究的意义

1.1.1课题研究的意义

1.2液压系统中气穴、气蚀现象的形成及危害

1.3液压油中含气形式及气泡对液压油性能的影响

1.3.1溶解空气

1.3.2混入空气

1.4气穴问题的提出

1.5液压系统气穴问题研究现状

1.6计算流体力学及其在液压技术中的作用

1.7流场可视化技术

1.7.1数值计算可视化技术

1.7.2流场实验可视化技术的现状

1.8本文的研究目标与内容

第二章气穴流场计算的数学模型

2.1基本方程

2.1.1连续性方程

2.1.2动量方程

2.2标准的k-ε模式

2.2.1标准的k-ε模式的输运方程

2.2.2湍流粘度

2.2.3模型中的常数

2.3 RNG k-ε湍流模式

2.3.1 RNG k-ε湍流模式的输运方程

2.3.2模拟有效粘度

2.3.3修正粘度

2.3.4ε方程中的R项

2.3.5输运方程中的常数

2.4 RNG k-ε模式与标准的k-ε模式的比较

2.5气穴模型理论

2.5.1体积比方程

2.6近壁区域的模拟

2.6.1标准壁面函数

2.6.2两层近壁模型

第三章锥阀阀口气穴流场的数值模拟与实验研究

3.1概述

3.2锥阀流场的计算与分析

3.2.1几何模型

3.2.2边界条件

3.3实验装置与实验方法

3.3.1实验装置

3.3.2实验方法

3.4仿真结果与实验结果的比较与分析

3.5改变边界条件的计算结果

3.6改变出口几何尺寸的计算结果

3.7本章小结

第四章纯水液压锥阀阀口气穴流场的数值模拟与分析

4.1概述

4.2纯水液压锥阀流场的计算

4.2.1几何模型

4.2.2边界条件

4.3计算结果与分析

4.3.1阀口开度h=0.5mm

4.3.2阀口开度h=0.3mm

4.3.3阀芯半锥角α=30°

4.3.4阀芯半锥角α=60°

4.3.5出口压力po=0.2MPa

4.3.6进口速度ui=10m/s

4.4不同参数对锥阀阀口气穴的影响

4.5本章小结

第五章球阀阀口气穴流场的数值模拟与实验研究

5.1概述

5.2液压球阀流场的计算与分析

5.2.1几何模型

5.3计算网格与边界条件

5.4流动可视化实验

5.5摄像机的拍摄范围及拍摄条件

5.6高速摄像机拍摄结果及分析

5.7噪声频谱与气穴周期性的分析

5.8球阀阀口三维流场计算结果及分析

5.9增大出口面积的流场计算结果及分析

5.10本章小结

第六章抑制溢流阀阀口气穴现象的实验研究

6.1概述

6.2流动可视化实验系统

6.3实验用阀

6.4实验方法

6.5实验可行性数值模拟分析

6.5.1阀1与阀6计算结果分析与比较

6.5.2计算结果与实验结果的比较

6.6实验结果与分析

6.6.1阀3、阀5和阀6的实验结果的比较和分析

6.6.2阀2、阀4和阀6的实验结果的比较和分析

6.6.3阀1和阀6的实验结果的比较和分析

6.7本章小结

第七章结论与展望

7.1研究总结

7.2本课题的四性体现

7.2.1基础性

7.2.2系统性

7.2.3工程性

7.2.3创新性

7.3相关工作展望

参考文献

博士生期间发表的学术论文

致谢