球面密封高水基电磁先导阀流场的CFD模拟

论文摘要

电磁先导阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件，阀内的流场特性直接影响阀的性能。本文结合计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）软件FLUENT对液压支架电液控制系统中先导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电磁先导阀的参数，采用AutoCAD软件，建立了阀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瞬态模拟。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，找出影响阀芯压力和速度分布的因素。过流断面面积突变处，将出现主流与壁面脱离的现象，在这些地方会出现漩涡区。在阀芯开启和关闭的过程中，边界条件是变化的，改变边界条件重新进行稳态仿真，得到最底压强为负值，求出在节流口处压强最低时的空化系数为-0.288，可能会产生气穴。下面采用空化模型进行仿真，得到汽化水的体积分数为0.495，确实产生气穴。由于出现了漩涡和气穴，严重影响阀的工作性能和效率，对阀的流道进行改进，把面积突变改为平滑过渡，通过仿真发现漩涡的数量和强度均明显降低。减小阀芯的直径，可以增大节流口的面积，使最低压强值增大，空化系数增大。改变密封钢球的大小也可以使最低压强值增大，空化系数增大为0.098，气穴发生的可能性降低。如果采用减小阀芯直径来降低气穴会使负压区的面积增大，所以改变密封钢球的直径效果要好。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。阀芯在运动过程中，运动速度为0.01m／s，分别得到了阀芯在开启和闭合过程中的压力和速度矢量图，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要复杂的多，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，所以出现了负值。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，验证了仿真结果的正确性。对阀芯受到的径向力进行了模拟计算，并和理论值比较，发现不会产生卡紧现象。所进行的研究工作对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 高水基介质概述
• 1.2 电磁先导阀的作用与存在的问题
• 1.2.1 先导阀的作用与重要性
• 1.2.2 先导阀存在的问题
• 1.3 国内外利用CFD软件对液压阀的研究状况
• 1.4 选题的目的和意义
• 1.5 本课题的主要工作
• 第二章 CFD应用基础
• 2.1 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 电磁先导阀二维流场的数值模拟
• 3.1 球密封电磁先导阀的工作原理及几何模型
• 3.1.1 工作原理
• 3.1.2 几何模型
• 3.2 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 边界条件及计算条件
• 3.3 二维模型的仿真结果及分析
• 3.4 二维流场的空化模型
• 3.4.1 模型的选择
• 3.4.2 二维空化模型仿真及结果分析
• 3.5 改进措施
• 3.5.1 减小漩涡的措施
• 3.5.2 减小气穴的措施
• 3.5.3 原模型与改进后模型的仿真结果比较
• 3.6 阀芯在运动状态下的仿真
• 3.6.1 压力随时间的变化
• 3.6.2 不同时刻的速度分布
• 3.7 本章小结
• 第四章 电磁先导阀流道的三维数值模拟
• 4.1 阀的几何模型
• 4.2 网格模型及边界条件
• 4.2.1 网格模型
• 4.2.2 边界条件及计算条件
• 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
• 4.5 阀芯受到的作用力的分析
• 4.5.1 总作用力的
• 4.5.2 稳态液动力的分析
• 4.5.3 径向力的分析
• 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