高水基安全阀流场的CFD仿真

论文摘要

安全阀是液压传动与控制系统中的重要元件,它维护着整个液压系统的安全,阀内的流场特性直接影响阀的性能。本文利用计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）软件FLUENT对液压支架安全阀的流场进行了数值模拟与分析计算。本文按照实际使用中的安全阀的参数,采用AutoCAD和UG软件,建立了安全阀流场的二维和三维几何模型。运用FLUENT前处理软件GAMBIT进行了网格的划分。在FLUENT软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟,并对二维模型进行了动态模拟。在开口度相同、边界条件不同和开口度不同、边界条件相同时对流场进行模拟,找出影响安全阀流场压力和速度分布的因素。过流断面面积突变处,存在回流现象,从而会出现漩涡区。在稳仿真过程中,边界条件是固定的,改变边界条件重新进行稳态仿真,得到最低压强为负值,求出在节流口处压强最低为-0.92MPa,计算出在节流口处压强最低时的空化系数为-0.028,会产生气穴。下面采用空化模型进行仿真,得到汽化水的体积分数为0.892,证明确实产生了气穴。通过压力和速度矢量图可以看到在阀内出现了漩涡和气穴,从而将产生噪声和振动,严重影响阀的工作性能和效率,对阀的流道进行改进,把面积直角突变改为平滑圆角过渡,通过仿真发现截流口处的最低压力明显提高,漩涡的数量和强度均降低。把改进后模型的仿真结果与原模型的仿真结果进行比较,为阀的优化设计提供参考依据。阀芯的运动速度为0.001m/s,得到了阀芯在运动过程中的压力和速度矢量分布图,阀芯在闭合的过程中液体的流动比开启过程和静态时的流动曲线图要复杂得多,漩涡的数量和强度都大,由于漩涡的出现,速度就在各个方向上都有分量。对阀芯受到的稳态液动力和总的作用力进行了理论分析和模拟计算,把仿真结果与理论结果相比较得到:开口度一定时,压力越大,总作用力和稳态液动力越大;压力一定时,开口度越大,总作用力和稳态液动力越小。与理论相一致,而且计算值总是大于仿真值。所进行的研究工作对安全阀的设计和性能优化提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液压支架概述
• 1.1.1 煤炭开采技术的国内外现状
• 1.1.2 液压支架的结构组成和工作原理
• 1.2 液压支架用安全阀
• 1.2.1 安全阀的用途与工作原理
• 1.2.2 安全阀的工况分析及性能要求
• 1.2.3 国内外支架安全阀的发展现状
• 1.3 高水基介质
• 1.4 国内外液压阀的研究状况
• 1.5 本课题的研究方法、内容、目的和意义
• 1.5.1 研究方法
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究的目的和意义
• 第二章 CFD应用基础
• 2.1 计算流体力学的特点及计算步骤
• 2.1.1 计算流体力学的特点
• 2.2 主要数值方法
• 2.2.1 有限体积法
• 2.2.2 有限差分法
• 2.2.3 有限元法
• 2.2.4 谱方法
• 2.3 紊流模型
• 2.3.1 紊流特性
• 2.3.2 紊流模型
• 2.4 FLUENT软件
• 2.4.1 Fluent程序的结构
• 2.4.2 Fluent程序可以求解的问题
• 第三章 高水基安全阀二维流场的数值模拟
• 3.1 安全阀的工作原理及几何模型
• 3.1.1 工作原理
• 3.1.2 安全阀流道的几何模型
• 3.2 安全阀流道的网格模型及边界条件
• 3.2.1 网格模型
• 3.2.2 自适应网格
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 二维模型的仿真结果及分析
• 3.4 二维混合模型流场的仿真
• 3.4.1 气穴分析及模型选择
• 3.4.2 混合模型仿真结果及分析
• 3.5 改进措施
• 3.5.1 气穴破坏的量性讨论
• 3.5.2 减小气穴的措施
• 3.5.3 减小旋涡的措施
• 3.6 阀芯在运动状态下的仿真
• 3.7 本章小结
• 第四章 高水基安全阀流道的三维数值模拟
• 4.1 阀的几何模型
• 4.2 网格模型与边界条件
• 4.2.1 网格模型
• 4.2.2 边界条件
• 4.3 三维流场的仿真及结果分析
• 4.4 不同条件下的流场比较
• 4.4.1 相同开口度,不同边界条件的流场比较
• 4.4.2 不同开口度,相同边界条件的流场比较
• 4.5 阀芯受到的作用力的分析
• 4.5.1 总作用力分析
• 4.5.2 稳态液动力分析
• 4.6 二维和三维流场模拟结果的比较
• 4.7 本章小节
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录