安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)06城建機(jī)械2班學(xué)生姓名學(xué)號(hào)課題節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬分析指導(dǎo)教師2010年5月28日摘要單向節(jié)流閥是流體傳動(dòng)與控制技術(shù)中重要的基礎(chǔ)元件，節(jié)流閥內(nèi)部的流場(chǎng)特性直接影響節(jié)流閥的性能。本文結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFDCOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICS軟件FLUENT對(duì)節(jié)流閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析計(jì)算。本文按照實(shí)際使用中的節(jié)流閥的參數(shù)，采用SOLIDWORKS軟件，建立了閥的三維幾何模型。運(yùn)用FLUENT前處理軟件GAMBIT了網(wǎng)格的劃分。在FLUENT軟件中對(duì)兩種模型的流場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。在主閥閥芯的性狀不同、邊界條件相同和節(jié)流口開(kāi)口寬度不同、邊界條件相同時(shí)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，找出影響閥芯壓力和速度分布的因素。在對(duì)主閥口進(jìn)行模擬時(shí)，分別對(duì)比不同開(kāi)口寬度時(shí)的沿程壓力分布情況，進(jìn)而選擇出最適合此處的主閥閥芯性狀和開(kāi)口寬度。對(duì)阻尼小孔進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，重點(diǎn)考慮節(jié)流閥開(kāi)口處兩端的壓力差，找到兩端壓力差小的阻尼孔直徑數(shù)值。關(guān)鍵詞單向節(jié)流閥，內(nèi)部流場(chǎng)，數(shù)值模擬ABSTRACTUNIDIRECTIONALTHROTTLEVALVEISAFLUIDTRANSMISSIONANDCONTROLTECHNOLOGYBASEDONTHEMOSTIMPORTANTCOMPONENTS,VALVERELIEFVALVEWITHINTHEFLOWFIELDCHARACTERISTICSOFADIRECTIMPACTONTHEPERFORMANCEOFVALVESINTHISPAPER,COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSCFDCOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSSOFTWAREFLUENTFORPILOTOPERATEDRELIEFVALVEOFTHEFLOWFIELDCALCULATIONANDANALYSISOFNUMERICALSIMULATIONINTHISPAPER,ACCORDINGTOTHEACTUALUSEOFTHEPILOTOPERATEDRELIEFVALVEOFTHEPARAMETERS,THEUSEOFSOLIDWORKSSOFTWARE,THEESTABLISHMENTOFAPILOTOPERATEDRELIEFVALVEOFTHETHREEDIMENSIONALGEOMETRICMODELFLUENTSOFTWARE,THEUSEOFPRETREATMENTWORKSGAMBITDIVISIONOFTHEGRIDFLUENTSOFTWAREINTWOMODELSOFTHEFLOWFIELDOFTHENUMERICALSIMULATIONOFSTEADYSTATESPOOLVALVEINTHEMAINTRAITSOFTHEDIFFERENTBOUNDARYCONDITIONSANDDAMPINGTHESAMEHOLEDIAMETERISDIFFERENTFROMTHESAMEBOUNDARYCONDITIONSTOSIMULATETHEFLOWFIELDTOIDENTIFYTHEIMPACTOFPRESSUREANDVELOCITYDISTRIBUTIONSPOOLFACTORSMAINVALVEPORTINTHESIMULATION,THEMAINVALVE,RESPECTIVELY,COMPAREDTOTHESTRUCTUREOFSPHERICALCONEVALVECONEPEACEFULSIDEOFTHEVALVESTRUCTUREOFTHEDISTRIBUTIONOFPRESSUREALONGTHEWAY,ANDTHENSELECTTHEMOSTAPPROPRIATEHERETRAITSOFTHEMAINVALVESPOOLDAMPINGHOLESONTHENUMERICALSIMULATION,THEFOCUSONSMALLDAMPINGOFTHEPRESSUREDIFFERENCEATBOTHENDSTOFINDTHEPRESSUREDIFFERENCEATBOTHENDSOFTHESMALLDIAMETEROFTHEDAMPINGVALUEKEYWORDSUNIDIRECTIONALTHROTTLEVALVE,THEFLOWFIELD,NUMERICALSIMULATION目錄目錄第一章緒論111引言112節(jié)流閥的用途213單向節(jié)流閥3131節(jié)流口堵塞原因4132減輕節(jié)流口堵塞的措施4133單向流閥的特點(diǎn)414節(jié)流閥的歷史研究成果615國(guó)內(nèi)外利用CFD軟件對(duì)液壓閥的研究狀況716單向節(jié)流閥的未來(lái)發(fā)展817選題的目的和意義918本文的研究?jī)?nèi)容1019本章小結(jié)11第二章單向節(jié)流閥的設(shè)計(jì)1221單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)和工作原理1222單向節(jié)流閥所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)1323解決措施及設(shè)計(jì)14231氣蝕問(wèn)題的解決措施14232泄漏、拉絲侵蝕問(wèn)題的解決措施15233振動(dòng)、噪聲和工作穩(wěn)定性問(wèn)題的解決措施1624本章設(shè)計(jì)結(jié)果1725本章小結(jié)17第三章單向節(jié)流閥的建模1831三維建模SOLIDWORKS簡(jiǎn)介18311SOLIDWORKS軟件基本內(nèi)容18312SOLIDWORKS軟件的特點(diǎn)1932單向節(jié)流閥流道建模20321單向節(jié)流閥的內(nèi)部型腔流道模型20322單向節(jié)流閥內(nèi)部閥芯簡(jiǎn)化實(shí)體模型2133本章小結(jié)21第四章單向節(jié)流閥的模擬仿真2241計(jì)算流體力學(xué)的特點(diǎn)2242FLUENT軟件簡(jiǎn)介23421FLUENT程序的結(jié)構(gòu)24422FLUENT程序可以求解的問(wèn)題2543單向節(jié)流閥的模擬仿真基礎(chǔ)知識(shí)25431模擬仿真主要數(shù)值方法2544模型的仿真29441單向節(jié)流閥主流道的網(wǎng)格劃分及流體分析29442單向節(jié)流閥節(jié)流口開(kāi)口寬度為4MM時(shí)的流道分析31第五章總結(jié)與展望36參考文獻(xiàn)37致謝40附錄一英文科技文獻(xiàn)翻譯41附錄二畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書46第一章緒論11引言社會(huì)的發(fā)展，要求人類賴以生存的環(huán)境是一個(gè)安全、無(wú)污染、高度文明的、美好的環(huán)境。因此要求科學(xué)技術(shù)向安全化、生態(tài)化、藝術(shù)化、環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)發(fā)展。自帕斯卡定理發(fā)明幾百年來(lái)，由于液壓具有防銹，潤(rùn)滑性好，粘度大的優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛的應(yīng)用。人類利用礦物油作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，創(chuàng)造了一代又一代的由液壓油傳動(dòng)與控制的各類主機(jī)系統(tǒng)，為社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，液壓系統(tǒng)的安全問(wèn)題也隨之凸顯出來(lái)。液壓系統(tǒng)中節(jié)流閥是重要的液壓元件，它能調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的工作流量并保證整個(gè)液壓執(zhí)行元件的安全。由于在實(shí)際工作中，泵提供的流量往往要大于工作流量，對(duì)有節(jié)流閥的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，節(jié)流閥就必須控制流入或流場(chǎng)執(zhí)行元件的流量從而控制元件的速度，由于節(jié)流口而造成較大的壓力損失。本課題就是從改善和優(yōu)化節(jié)流閥的內(nèi)部流道著手，通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值分析手段，降低液壓系統(tǒng)的局部壓力損失，進(jìn)而得到更合理的內(nèi)部流道。本課題目的是利用所學(xué)的流體力學(xué)、液壓和控制知識(shí)為優(yōu)化節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)做理論研究。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容分為原理部分、三維實(shí)體建模部分及流場(chǎng)分析部分。12節(jié)流閥的用途圖11單向節(jié)流閥節(jié)流閥是重要的液壓元件，其主要是用來(lái)改變相關(guān)閥口的流通面積，從而調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的工作流量并保證整個(gè)液壓執(zhí)行元件的安全。節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油井測(cè)試、固井等高壓管路中，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥桿來(lái)改變節(jié)流孔面積，以達(dá)到調(diào)節(jié)管路壓力和流量的目的。1對(duì)節(jié)流閥的性能要求流量調(diào)節(jié)范圍大，流量一一壓差變化平滑；內(nèi)泄露量小，若有外泄露油口，外泄露量也要小；調(diào)節(jié)力矩小，動(dòng)作敏捷。2節(jié)流閥的分類及工作原理節(jié)流閥是通過(guò)改變節(jié)流截面或節(jié)流長(zhǎng)度以控制流體流量的閥。將節(jié)流閥和單向閥并聯(lián)則可組成單向節(jié)流閥。節(jié)流閥和單向節(jié)流閥是簡(jiǎn)易的流量控制閥。在定量泵液壓系統(tǒng)中，節(jié)流閥和溢流閥配合，可組成三種節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，即進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、回油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流閥沒(méi)有流量負(fù)反饋功能，不能補(bǔ)償由于負(fù)載變化所造成的速度不穩(wěn)定，一般僅僅用于負(fù)載變化不大或?qū)λ俣确€(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。按照其功用，具有節(jié)流功能的閥有節(jié)流閥、單向節(jié)流閥、精密節(jié)流閥、節(jié)流截止閥和單向節(jié)流截止閥等；按節(jié)流口的結(jié)構(gòu)形式，節(jié)流閥有針式、沉割槽式、偏心槽式、錐閥式、三角槽式、薄刃式等多種；按其調(diào)節(jié)功能，又可將節(jié)流閥分為簡(jiǎn)式和可調(diào)式兩種。13單向節(jié)流閥單向節(jié)流閥根據(jù)油液流動(dòng)方向的不同，既可以作為單向閥使用，又可以做節(jié)流閥使用，其主要有調(diào)節(jié)桿、止推、閥體、閥芯和彈簧組成，節(jié)流道呈軸向三角槽式。但有些時(shí)候，為了節(jié)流閥內(nèi)部流場(chǎng)分析的必要，可以將其內(nèi)部節(jié)流口及節(jié)流流道進(jìn)行簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化建模，以便于分析計(jì)算。131節(jié)流口堵塞原因（1）油液中的機(jī)械雜質(zhì)或因氧化析出的膠質(zhì)、瀝青、碳渣等污染物等堆積在節(jié)流縫隙處；（2）由于油液老化或受到擠壓后產(chǎn)生帶電的極化分子，而節(jié)流縫隙的金屬表面上存在電位差，故極化分子被吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，吸附層厚度一般為58微米，因而影響了節(jié)流縫隙的大小。以上堆積、吸附物堆積到一定厚度時(shí)，會(huì)被液流沖刷掉，隨后又重新吸附到閥口上。這樣周而復(fù)始，就形成了流量的脈動(dòng)；（3）閥口壓力差較大時(shí)，因閥口溫度高，液體受擠壓的程度增強(qiáng)，金屬表面也更容易收摩擦作用而形成電位差，因此壓差大時(shí)容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。132減輕節(jié)流口堵塞的措施（1）選擇水力半徑大的薄刃節(jié)流口；（2）精密過(guò)濾并定期更換油液；（3）適當(dāng)減小節(jié)流口前后的壓力差；采用電位差較小的金屬材料，選用抗氧化穩(wěn)定性較好的油液，減小節(jié)流口表面粗糙度。133單向節(jié)流閥的特點(diǎn)（1）構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，便于制造和維修，成本低；（2）調(diào)節(jié)精度不高，不能作調(diào)節(jié)使用；（3）密封面易沖蝕，不能作切斷介質(zhì)用；（4）密封性較差。節(jié)流閥按通道方式可分為直通式和角式兩種；按啟閉件的形狀分，有針形、溝形和窗形三種。節(jié)流閥的安裝與維護(hù)應(yīng)注意以下事項(xiàng)該閥經(jīng)常需要操作，因此應(yīng)該安裝在易于方便面操作的位置上；安裝時(shí)要注意介質(zhì)方向與閥體所標(biāo)箭頭方向保持一致。為了保證流量穩(wěn)定、節(jié)流口的形式易薄壁小孔較為理想。以下為幾種常用的節(jié)流口的形式針閥式節(jié)流口，它通道長(zhǎng)，濕周大，易堵塞，流量受油溫影響較大。一般用于對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合。偏心槽式節(jié)流口，其性能與針式節(jié)流口相同，但容易制造，其缺點(diǎn)是閥芯上的徑向力不平衡，旋轉(zhuǎn)閥芯時(shí)較為費(fèi)勁，一般用于壓力較低、流量較大和流量穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。軸向三角槽式節(jié)流口，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水力直徑中等，可得到較小的穩(wěn)定流量，且調(diào)節(jié)范圍較大，但節(jié)流通道有一定長(zhǎng)度，油溫變化對(duì)流量有一定影響，目前被廣泛應(yīng)用。周向縫隙式節(jié)流口，沿閥芯周向開(kāi)有一條寬度不等的狹槽，轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯就可以控制開(kāi)口的大小。閥口做成薄刃形，通道短，水力直徑大，不易堵塞，油溫對(duì)流量影響小，因此其性能接近于薄壁小孔，適用于低壓小流量的場(chǎng)合。軸向縫隙式節(jié)流口，在閥孔的襯套上加工出圖示薄壁閥口，閥芯作軸向移動(dòng)即可改變開(kāi)口的大小。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，節(jié)流元件與溢流閥并聯(lián)于液壓泵的出口，構(gòu)成恒壓油源，使得泵出口的壓力恒定。節(jié)流閥和溢流閥相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的液阻，液壓泵輸出流量不變，流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸的流量和流經(jīng)溢流閥的流量的大小，由節(jié)流閥和溢流閥的液阻相對(duì)大小來(lái)決定。節(jié)流閥式一種可以在較大范圍內(nèi)以改變液阻來(lái)調(diào)節(jié)流量的元件。因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的液阻，來(lái)改變進(jìn)入液壓缸的流量，從而調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度；但若在回路中僅有節(jié)流閥而沒(méi)有溢流閥與之并聯(lián)的話，則節(jié)流閥就起不到調(diào)節(jié)流量的作用。液壓泵輸出的液壓油全部經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸。改變節(jié)流閥節(jié)流口的大小，只是改變液流流經(jīng)節(jié)流閥的壓力降。節(jié)流口小，流速快；節(jié)流口大，流速慢，而總的流量是不變的，因此液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度不變。所以，節(jié)流元件用來(lái)調(diào)節(jié)流量是有條件的，即要求有一個(gè)接受節(jié)流元件壓力信號(hào)的環(huán)節(jié)（與之并聯(lián)的溢流閥或恒壓變量泵）。通過(guò)這一環(huán)節(jié)來(lái)補(bǔ)償節(jié)流元件的流量變化。節(jié)流閥的剛性表示它抵抗負(fù)載變化的干擾，保持流量穩(wěn)定的能力，即當(dāng)節(jié)流閥開(kāi)口量不變時(shí)，由于閥前后壓力差的變化，引起通過(guò)節(jié)流閥的流量發(fā)生變化的情況。流量變化越大，節(jié)流閥的剛性越大；反之，其剛性越小。134節(jié)流閥的壓力和溫度補(bǔ)償普通節(jié)流閥由于剛性差，在節(jié)流開(kāi)口一定的條件下通過(guò)它的工作流量受工作負(fù)載（亦即其出口壓力）變化的影響，不能保持執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定，因此只適用于工作負(fù)載變化不大和速度穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合，由于負(fù)載的變化很難避免，為了改善調(diào)速系統(tǒng)的性能，通常是對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償，即采取措施使節(jié)流閥前后壓力差在負(fù)載變化時(shí)始終保持不變。節(jié)流閥的壓力補(bǔ)償有兩種方式一種是將定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)起來(lái)，組合成調(diào)速閥；另一種是將穩(wěn)壓溢流閥并聯(lián)起來(lái)，組成溢流節(jié)流閥。這兩種壓力補(bǔ)償方式是利用流量變動(dòng)所引起油路壓力的變化，通過(guò)閥芯的負(fù)反饋動(dòng)作，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流部分的壓力差，使其保持不變。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)節(jié)流閥的主要要求有1）有較大的流量調(diào)節(jié)范圍，且流量調(diào)節(jié)要均勻；2）當(dāng)閥前、后壓力差發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)閥的流量變化要小，一保證負(fù)載運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定；3）油溫變化對(duì)通過(guò)閥的流量影響要小；4）油液通過(guò)安全閥時(shí)的壓力損失要小；5）當(dāng)閥口關(guān)閉時(shí)閥的泄露量要小。14單向節(jié)流閥的歷史研究成果及應(yīng)用對(duì)單向節(jié)流閥的研究?jī)?nèi)容，主要包括理論研究，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)字仿真。國(guó)內(nèi)外從六十年代初開(kāi)始對(duì)單向節(jié)流閥進(jìn)行研究。經(jīng)歷了定性和定量研究階段。單向節(jié)流閥廣泛應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)的調(diào)速和延時(shí)回路中，其既可以作為單向閥使用，又可以作節(jié)流閥使用。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是影響單向節(jié)流閥性能的關(guān)鍵因素之一，不僅決定換向阻力，同時(shí)也影響單向節(jié)流閥的精確控制。節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油田測(cè)試、固井等高壓管路中，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥桿來(lái)改變節(jié)流孔面積，以達(dá)到調(diào)節(jié)管路中壓力和流量的目的。因此，它的性能好壞直接影響到油田節(jié)流作業(yè)時(shí)的人身安全和工作效率。研究成果對(duì)高壓節(jié)流閥的失效進(jìn)行了分析，指出了單向節(jié)流閥的各種失效形式，并隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬成了目前對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段。節(jié)流部位出現(xiàn)的氣穴是液壓控制元件中最重要的噪聲源頭，目前對(duì)以油為介質(zhì)的液壓元件及系統(tǒng)中的流場(chǎng)及氣穴現(xiàn)象的深入研究還很少。液壓元件內(nèi)流道形體復(fù)雜、尺寸小、壓差大、閥口流速高，使得從氣泡微觀層面上研究液壓元件中的氣穴現(xiàn)象非常困難。目前，研究人員用湍流模型對(duì)液壓閥口高速流場(chǎng)的速度和壓力分布進(jìn)行了仿真，結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。同時(shí)對(duì)閥腔內(nèi)壓力分布，氣穴與噪聲的關(guān)系進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)閥口壓力最低區(qū)出現(xiàn)在節(jié)流邊附近，由于流束轉(zhuǎn)折和流體脫離而產(chǎn)生。背壓對(duì)閥腔內(nèi)壓力分布有著直接的影響，同時(shí)決定了腔內(nèi)氣泡形態(tài)與噪聲聲級(jí)的大小。因此在實(shí)際運(yùn)用的液壓閥中，可通過(guò)檢測(cè)閥內(nèi)流體壓力的方法預(yù)測(cè)氣穴可能發(fā)生的區(qū)域。另外，在閥內(nèi)流道設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化，縮小低壓區(qū)，以控制氣穴的初生與發(fā)展。此項(xiàng)研究對(duì)節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)內(nèi)氣穴噪聲的預(yù)防都有著重要的參考價(jià)值。15國(guó)內(nèi)外利用CFD軟件對(duì)液壓閥的研究狀況針對(duì)一般的液壓閥類元件內(nèi)部流場(chǎng)所作的數(shù)值模擬與仿真研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓閥的內(nèi)部流場(chǎng)及特性己經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展和完善液壓閥的性能等提供了有力的理論基礎(chǔ)。SHIGERUOSHIMATIMOLEINO等對(duì)水用錐閥與油用錐閥在各個(gè)特性上進(jìn)行了比較分析，詳細(xì)地給出了不同壓差下節(jié)流口處的壓力變化、流量系數(shù)和質(zhì)量流率的變化曲線圖，以及閥芯上的壓力分布圖，這對(duì)理論研究和數(shù)值模擬都是一個(gè)很好的參考。MBORGHI,MILANI文中使用CFD軟件FIDAP707分析了安全閥在固定開(kāi)口度為04,07,10,12MM時(shí)的壓力分布圖、速度分布圖和流量、壓力與壓差的曲線圖。通過(guò)閥芯表面上的壓力積分計(jì)算了閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，根據(jù)公式估計(jì)了瞬態(tài)液動(dòng)力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力兩者的比例。YOSHINARINAKAMURA等通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)錐閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳盡的研究MKIPPING用三種不同介質(zhì)對(duì)液壓滑閥的內(nèi)部流場(chǎng)分別作了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析MDIETZE用不同的二維和三維模型對(duì)液壓閥在不同的錐角下進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。PRIYATOSHBARMAN對(duì)三維的滑閥模型進(jìn)行了仿真研究。指出滑閥在流量很大，壓差很大時(shí)，閥內(nèi)部的流動(dòng)區(qū)域可能形成汽化，當(dāng)氣泡破裂時(shí)對(duì)閥體和閥芯表面形成氣蝕。使用STRACD流場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行了兩相流動(dòng)的仿真。文中給出閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布，速度分布和氣體體積分布圖。這對(duì)優(yōu)化滑閥的閥腔結(jié)構(gòu)，阻止氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生有一定的指導(dǎo)意義。西南交通大學(xué)的王國(guó)志等運(yùn)用三維流體分析軟件對(duì)水壓滑閥的流動(dòng)狀態(tài)以及閥芯受力情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，對(duì)可視化的圖形圖像和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析研究。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和可視化研究可以較容易獲得在理論上很難計(jì)算的滑閥閥芯所受的液動(dòng)力。仿真計(jì)算所得的可視化結(jié)果與理論數(shù)據(jù)基本吻合，其結(jié)果為水壓滑閥的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。燕山大學(xué)的高殿榮首次將有限元方法應(yīng)用于液壓技術(shù)中各種異形斷面流道，并對(duì)液壓集成塊內(nèi)部的復(fù)雜流道、滑閥和錐閥流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，還從流體力學(xué)的連續(xù)性方程和NAVIERSTOKES方程出發(fā)，并根據(jù)流函數(shù)和渦量與流速之間的關(guān)系式，推導(dǎo)出了以流函數(shù)和渦量W為變量的NS方程的變形公式，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化。浙江大學(xué)的王林翔采用湍流模型的K兩方程模型和有限容積法，對(duì)滑閥閥道內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析。北京化工大學(xué)的沈晶，闡述了水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過(guò)對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)減小水錘對(duì)液壓閥壽命的影響。浙江大學(xué)的冀宏，利用理論分析、流場(chǎng)仿真、壓力分布測(cè)量等方式相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)通過(guò)等截面段形成二級(jí)節(jié)流或采取大楔形角可以有效的消除氣穴和噪聲。太原理工大學(xué)的王芳，采用AUTOCAD和UG軟件，按照先導(dǎo)閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)和參數(shù)，結(jié)合計(jì)算數(shù)學(xué)模型的可行性，分別建立了閥的二維和三維幾何模型。運(yùn)用FLUENT前處理軟件GAMBIT進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分。在FLUENT軟件中對(duì)兩種模型的流場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。16單向節(jié)流閥的未來(lái)發(fā)展目前，液壓系統(tǒng)和元件的設(shè)計(jì)，分析方法是基于一種半經(jīng)驗(yàn)的方法，一些理論公式經(jīng)多方簡(jiǎn)化，已難以解釋和處理某些實(shí)際問(wèn)題，對(duì)節(jié)流閥的開(kāi)發(fā)和深入研究也存在著許多問(wèn)題。在理論分析中，很多內(nèi)外界因素都未加以考慮，很多因素在不斷影響著液壓控制元件，也在不斷困擾著研究人員對(duì)液壓控制元件的理論分析與研究。例如，壓差對(duì)節(jié)流閥的流量的影響、溫度對(duì)節(jié)流閥的流量的影響、節(jié)流閥節(jié)流口的堵塞、節(jié)流閥節(jié)流口的空穴現(xiàn)象以及節(jié)流閥的閥口漏油現(xiàn)象和節(jié)流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)等問(wèn)題。因此，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究和攻克。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究人員逐漸開(kāi)發(fā)了一系列的流體分析軟件，應(yīng)用CFD方法，采用FLUENT流體軟件及ANSYS有限元分析軟件，對(duì)單向節(jié)流閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力及壓差流量等各方面模擬分析，對(duì)實(shí)際上液壓元件的運(yùn)行進(jìn)行了精確的計(jì)算分析，掌握了很多液壓元件的運(yùn)行仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)等資料。因此，各種更先進(jìn)的、更節(jié)能的、更優(yōu)化的液壓控制元件業(yè)相繼問(wèn)世，給現(xiàn)代的工業(yè)發(fā)展提供了更好的動(dòng)力。隨著高壓，高速，大流量和高效率液壓系統(tǒng)發(fā)展的需要，對(duì)節(jié)能型、低噪聲和環(huán)保型節(jié)流閥的研究也日益增多，不僅從各方面對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，也從環(huán)保角度對(duì)液壓控制元件的質(zhì)量提升有積極的促進(jìn)作用，并且逐步取得了實(shí)質(zhì)性的突破。17選題的目的和意義20世紀(jì)是流體傳動(dòng)與控制技術(shù)逐步走向成熟的時(shí)代。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，它不僅可以充當(dāng)一種傳動(dòng)方式，而且可以作為一種控制手段，充當(dāng)了連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率控制對(duì)象之間的橋梁，成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術(shù)手段。能量轉(zhuǎn)換、動(dòng)力傳動(dòng)以及傳動(dòng)控制依然是21世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，流體傳動(dòng)與控制技術(shù)也依然是其中極為重要和積極的角色。液壓閥對(duì)流體的控制是通過(guò)內(nèi)部流體的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件動(dòng)作的控制，是以流體在閥中流功的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)的，所以應(yīng)當(dāng)深入研究閥內(nèi)流體的流動(dòng)狀況以及流體與閥的固體部件之間的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系，以提高閥的性能。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，應(yīng)用CFD方法，對(duì)液壓閥內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算和可視化分析，成為液壓技術(shù)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，研究工作對(duì)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和流道的優(yōu)化沒(méi)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。當(dāng)液流流經(jīng)液壓閥的閥腔和閥口時(shí)，由于液流速度發(fā)生變化，將有液動(dòng)力作用在閥芯上。液壓控制閥的操縱力必須能夠克服閥的各種阻力，它包括慣性力、摩擦力、彈簧力和液體動(dòng)力等，其中液動(dòng)力所占的比例最大。液動(dòng)力不僅會(huì)影響閥的操縱力，而且還可能引起閥的自激振動(dòng)，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，它是設(shè)計(jì)、分析液壓控制閥及液壓系統(tǒng)的重要因素之一。采用各種流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)閥的流道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算液動(dòng)力是最近幾年閥液動(dòng)力研究的熱門課題，它可以用于改進(jìn)閥的過(guò)流結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)行閥的液動(dòng)力的補(bǔ)償提供理論依據(jù)。目前對(duì)三維模型的研究也只是對(duì)閥芯在固定開(kāi)口度狀態(tài)時(shí)的流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真，對(duì)閥芯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中閥內(nèi)部流場(chǎng)的規(guī)律、特點(diǎn)的理論分析還很少。液動(dòng)力是設(shè)計(jì)、分析液壓控制閥的重要因素之一，在國(guó)內(nèi)外的研究中，大都是關(guān)于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的機(jī)理研究和理論計(jì)算公式的推導(dǎo)，對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也提出了很多有效的補(bǔ)償措施。對(duì)于閥瞬態(tài)液動(dòng)力的研究工作較少，而且未見(jiàn)統(tǒng)一的理論計(jì)算公式。本論文主要研究高水基節(jié)流閥的流場(chǎng)特性。應(yīng)用流場(chǎng)數(shù)值模擬及可視化方法進(jìn)行分析，要研究清楚節(jié)流閥流場(chǎng)的流動(dòng)特性和力特性及其影響因素，確定出該閥所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小，漩渦和脫流附壁現(xiàn)象產(chǎn)生的區(qū)域，找出閥結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，以分析閥的性能，并為此類節(jié)流閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。這對(duì)于降低實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用，縮短前期研發(fā)周期，加快高水基技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程，對(duì)于提高閥的使用壽命和工作性能，提高閥的通流能力，減小泄漏和壓力損失，改善加工工藝設(shè)計(jì)，解決節(jié)流閥存在的一些主要問(wèn)題等都有一定的指導(dǎo)意義對(duì)于保證整個(gè)使用高水基介質(zhì)傳動(dòng)的液壓支架電液控制系統(tǒng)和煤礦安全而高效地生產(chǎn)都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。18本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)液壓元件內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，本課題中使用CFD軟件來(lái)進(jìn)行仿真研究。參數(shù)化建模，可方便地修改機(jī)構(gòu)參數(shù)，如開(kāi)口度變化，流道性狀，閥結(jié)構(gòu)等變化，建模簡(jiǎn)單，快捷。可從CAD/CAE系統(tǒng)中直接讀入數(shù)據(jù)，具有靈活方便的幾何修正功能和功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具。對(duì)導(dǎo)入的網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。用戶可根據(jù)自己的特殊需要編制自己的UDF，定制特殊的邊界條件、實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格等。可采用自適應(yīng)網(wǎng)格根據(jù)流場(chǎng)的特性局部細(xì)化網(wǎng)格。根據(jù)所研究的側(cè)重點(diǎn)，確定研究對(duì)象的初始狀態(tài)。確定參數(shù)特征，即具體尺寸。SOLIDWORKSGAMBITFLUENT本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有1、單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2、單向節(jié)流閥的流道分析；3、流道流場(chǎng)模擬分析；4、單向節(jié)流閥的三維建模圖；5、畢業(yè)論文一篇。19本章小結(jié)本章主要介紹了課題研究的背景和意義，分析了當(dāng)前單向節(jié)流閥的主要方向，給出了單向節(jié)流閥所面臨的主要技術(shù)難題并提出了基本的解決方案，確定了本課題的主要工作和采取的技術(shù)路線。本章對(duì)節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用和發(fā)展方向等進(jìn)行了側(cè)重分析，并提出了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)及流體分析軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，對(duì)單向節(jié)流閥的各方面技術(shù)等的改進(jìn)起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，在現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)支持下，我們也對(duì)單向節(jié)流閥的發(fā)展提出了各種良好期望與憧憬。第二章單向節(jié)流閥的設(shè)計(jì)21單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)和工作原理單向節(jié)流閥根據(jù)油液流動(dòng)方向的不同，既可以作單向閥使用，又可以作節(jié)流閥使用，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由調(diào)節(jié)桿、止推、閥體、閥芯和彈簧組成，節(jié)流通道呈軸向三角槽式。單向節(jié)流閥的工作原理如下圖21單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)原理圖假設(shè)外界（液壓泵或者液壓閥）輸出的液壓油從通口PJ1流入，產(chǎn)生的油壓力作用在閥芯左端面，克服復(fù)位彈簧作用在閥芯上的阻力，推動(dòng)閥芯向右移動(dòng)，打開(kāi)節(jié)流閥閥口，油液通過(guò)徑向孔從通口PJ2流出。油液從通口PJ1流到通口PJ2的過(guò)程中，油液不節(jié)流，可以自由流通，此時(shí)單向節(jié)流閥主要起單向閥作用。假設(shè)外界（液壓泵或者液壓閥）輸出的油液從通口PJ2流入節(jié)流閥，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿，以克服彈簧作用在閥芯上的阻力，使閥芯作軸向移動(dòng)，打開(kāi)閥口。此時(shí)，油液經(jīng)過(guò)閥芯上的三角槽和孔道，從通道口PJ1流出。通過(guò)改變節(jié)流口三角槽的通流面積，以改變液阻，來(lái)控制通過(guò)節(jié)流閥的流量，實(shí)現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。油液從通口PJ2流到通口PJ1的過(guò)程中，油液要節(jié)流，不可以自由通流，此時(shí)，單向節(jié)流閥主要起到節(jié)流閥的作用。22單向節(jié)流閥研究所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)1腐蝕和腐蝕磨損問(wèn)題由于介質(zhì)有較強(qiáng)的腐蝕性，因此節(jié)流閥所用材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能。對(duì)于中間主閥口、節(jié)流閥口及主閥導(dǎo)向面處，腐蝕與磨損同時(shí)存在，兩者相互促進(jìn)，將使零件加速失效。顯然，單向節(jié)流閥的材料難以滿足腐蝕及腐蝕磨損的要求。2氣蝕問(wèn)題當(dāng)液流流經(jīng)節(jié)流口的喉部位置時(shí)，根據(jù)伯努利方程，該處的壓力要降低。如壓力低于液壓油工作溫度下的空氣分離壓，溶解在油液中的空氣將迅速地大量分離出來(lái)，變成氣泡。這些氣泡隨著液流流到下游壓力較高的部位處時(shí)，會(huì)因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲而引起振動(dòng)，當(dāng)附著在金屬表面上的氣泡破滅時(shí)，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓會(huì)使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn)海綿狀的小洞穴，節(jié)流口下游部位可發(fā)現(xiàn)這種腐蝕的痕跡，這種現(xiàn)象稱為氣蝕。單向節(jié)流閥隨著工作介質(zhì)的不同，氣蝕分為氣體氣蝕和汽化氣蝕兩種。由于液壓油的汽化壓力很低，同時(shí)空氣在液壓油中的溶解度較高，所以油壓閥的氣蝕主要表現(xiàn)為氣體氣蝕。相同條件下空氣在水中的溶解度約為液壓油的2O倍，而水的汽化壓力50時(shí)12KPA比液壓油50時(shí)1OMPA高1O倍，因此水壓控制閥中起主導(dǎo)作用的是汽化氣蝕。水壓閥與油壓閥氣蝕本質(zhì)的不同，決定了其危害性比油壓閥的氣蝕嚴(yán)重。當(dāng)閥的工作壓力較高時(shí)，主閥口和先導(dǎo)閥口將在較大的壓差下工作，使閥口流速很高，極易發(fā)生汽化氣蝕。3拉絲侵蝕和泄漏問(wèn)題在單向節(jié)流閥中，高速流體會(huì)對(duì)配合面產(chǎn)生很強(qiáng)的沖刷作用，久而久之會(huì)在零件表面形成一條條絲狀凹槽，這種現(xiàn)象稱為拉絲侵蝕。當(dāng)高速流體中攜帶污染顆粒時(shí)，其破壞作用大大加劇。主閥口、節(jié)流閥口及主閥芯導(dǎo)向面處都是易產(chǎn)生泄漏和拉絲侵蝕的部位。4振動(dòng)、噪聲和工作穩(wěn)定性問(wèn)題由于介質(zhì)的壓力沖擊，在單向節(jié)流閥中易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。噪聲會(huì)給工作環(huán)境帶來(lái)噪聲污染；振動(dòng)會(huì)引起節(jié)流閥表面損傷，并導(dǎo)致節(jié)流閥的靜態(tài)性能下降、控制壓力失調(diào)等后果，反過(guò)來(lái)又加劇了振動(dòng)和噪聲。因此節(jié)流閥的振動(dòng)、噪聲對(duì)單向節(jié)流閥的工作性能、可靠性和使用壽命都有很大影響。23解決措施及設(shè)計(jì)針對(duì)單向節(jié)流閥的上述關(guān)鍵技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了下面的解決方法。231氣蝕問(wèn)題的解決措施節(jié)流閥氣穴發(fā)生的程度可用氣穴系數(shù)表示。越大，氣穴現(xiàn)象越嚴(yán)重。的表達(dá)式為（21）12VP式中，為節(jié)流閥入口壓力；為節(jié)流閥出口壓力；為飽和蒸汽壓。12PVP為減小氣穴的發(fā)生及其危害，應(yīng)盡量使小。由式1可知，要減小D，只有降低入口壓力或提高出口壓力值。這種方法的實(shí)際應(yīng)用就是把單節(jié)流閥口設(shè)計(jì)成兩級(jí)節(jié)流閥口的形式，則每級(jí)閥口的氣蝕系數(shù)分別（22）12VP（23）12V式中，為兩節(jié)流閥口間的壓力。12P與單級(jí)閥口的氣穴系數(shù)相比，、分別因出口壓力提高和入口壓力12降低而減小。較典型的例子是日本設(shè)計(jì)的兩級(jí)平板式節(jié)流閥口的形式和芬蘭采用的兩級(jí)錐閥式節(jié)流閥口如圖21。圖22兩級(jí)錐閥式節(jié)流閥口在本次設(shè)計(jì)中，單向節(jié)流閥在解決氣蝕問(wèn)題方面，主要采取了以下措施在液壓系統(tǒng)中的任何地方，只要壓力低于空氣分離壓，就會(huì)發(fā)生空穴現(xiàn)象。為了防止空穴現(xiàn)象的發(fā)生，就是要防止液壓系統(tǒng)中的壓力過(guò)度降低。具體措施有以下（1）理設(shè)計(jì)閥口的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)閥芯與閥座的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣蝕有密切關(guān)系。為減弱氣蝕，單向節(jié)流閥閥口在結(jié)構(gòu)上主要有以下特點(diǎn)主閥芯采用帶圓弧的平端錐閥結(jié)構(gòu)。相對(duì)于圓錐形和球形錐閥結(jié)構(gòu)，平端錐閥截去圓錐的抗氣蝕性能較強(qiáng)。主閥的錐角較小，并且閥芯錐角大于閥座錐角。對(duì)外流式錐閥，當(dāng)錐角較小時(shí)，由于流體收縮小，出口壓力較高，因而不易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。由于壓力最低處一般位于收縮部位附近，此處流速很高，當(dāng)閥芯錐角小于閥座錐角時(shí)，氣穴發(fā)生在閥口處，反之，則發(fā)生在閥口下游。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)閥芯錐角小于閥座錐角時(shí)，閥口較容易出現(xiàn)氣穴和流量飽和現(xiàn)象。主閥口采用階梯狀兩級(jí)節(jié)流口結(jié)構(gòu)如圖22。實(shí)驗(yàn)研究表明，該結(jié)構(gòu)在小開(kāi)度時(shí)每級(jí)閥口都承擔(dān)了壓差，因而可減小氣蝕。圖23兩級(jí)節(jié)流主閥口（2）選擇硬度高的材料提高材料硬度不僅可大大增強(qiáng)材料的抗氣蝕性能，而且有利于提高材料的抗流體侵蝕能力。一般而言，閥心受到的氣蝕破壞比閥座嚴(yán)重，因而在選擇閥心與閥座的材料時(shí)，閥心材料通常比閥座的硬度高。鑒于奧氏體不銹鋼不能通過(guò)熱處理提高硬度，閥心材料可采用熱處理強(qiáng)化的沉淀硬化不銹鋼或者采用工程陶瓷，或采用馬氏體不銹鋼；閥座可采用銅基合金，以增加零件的機(jī)械強(qiáng)度，提高零件的表面加工質(zhì)量等。232泄漏、拉絲侵蝕問(wèn)題的解決措施本次設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上采取了以下措施1在主閥心與主閥套之間加組合密封件增加密封件后,主閥心上的摩擦力增加,對(duì)閥的靜態(tài)性能稍有影響,但可減小泄漏,并防止拉絲侵蝕的破壞。值得指出的是,主閥心與主閥套間若泄漏過(guò)大,則節(jié)流閥對(duì)主閥的控制作用減弱,將使閥的靜態(tài)性能大大降低。2閥口處選擇合適硬度的材料配對(duì)材料的硬度越高,抗拉絲侵蝕的能力越強(qiáng)。因此,一方面,盡可能提高閥心硬度,并使閥心與閥座的硬度差不低于HRC15；另一方面,設(shè)計(jì)時(shí)使閥口所受比壓在密封必須的比壓與材料的許用比壓之間。233振動(dòng)、噪聲和工作穩(wěn)定性問(wèn)題的解決措施關(guān)于節(jié)流閥噪聲產(chǎn)生的原因,許多學(xué)者已進(jìn)行了相應(yīng)的分析和研究。歸納而言，節(jié)流閥產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的原因主要有以下幾個(gè)方面1節(jié)流閥閥開(kāi)啟時(shí),由于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的側(cè)向分力不平衡產(chǎn)生振動(dòng),其主要原因有閥座孔不圓度誤差，使節(jié)流閥心與閥座接觸不良，周向通流面積不一致，引起閥心偏振；彈簧加工時(shí)端面不平，或彈簧與彈簧座裝配間隙設(shè)計(jì)不當(dāng)，使彈簧力偏離閥心中心線，導(dǎo)致閥心偏振。2氣穴現(xiàn)象當(dāng)發(fā)生氣穴現(xiàn)象時(shí)，氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲；另一方面，氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波會(huì)導(dǎo)致閥心振擺。3自激振蕩噪聲節(jié)流閥是一個(gè)彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)，當(dāng)阻尼小時(shí)，由于自激振蕩發(fā)出高頻顫振聲。4通過(guò)閥口的高速液流與周圍液體之間產(chǎn)生剪切流、渦流而發(fā)出噪聲。5主閥導(dǎo)向面處泄漏過(guò)大，節(jié)流閥口節(jié)流不足，使節(jié)流閥閥芯發(fā)生振蕩。針對(duì)油壓節(jié)流閥的振動(dòng)、噪聲和工作穩(wěn)定性問(wèn)題，相關(guān)文獻(xiàn)提出了多種解決措施，如減小錐閥半錐角、減小錐閥前腔體積、節(jié)流閥前腔加消振墊或消振塞等，但這些措施對(duì)于節(jié)流閥并不能從根本上解決問(wèn)題。本文在節(jié)流閥部分設(shè)計(jì)了一種新型的結(jié)構(gòu)，即在節(jié)流閥芯尾部設(shè)置了阻尼開(kāi)口寬度。一方面，節(jié)流閥芯與節(jié)流閥體的導(dǎo)向配合面可減小節(jié)流閥芯因受不平衡徑向力引起的偏振；另一方面，節(jié)流閥心運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼開(kāi)口內(nèi)的壓力變化使閥心的運(yùn)動(dòng)阻尼增加，從而提高單向節(jié)流閥的工作穩(wěn)定性。24本章設(shè)計(jì)結(jié)果圖示就是在前人努力的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化而得到的簡(jiǎn)化模型圖圖24單向節(jié)流閥的內(nèi)部流道簡(jiǎn)化模型圖25本章小結(jié)本文分析了單向節(jié)流閥的關(guān)鍵技術(shù)難題，并從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面著手解決。在結(jié)構(gòu)上主要采用了在節(jié)流閥入口設(shè)置固定節(jié)流孔和二級(jí)節(jié)流主閥口以減小氣蝕；閥心上加組合密封件減小泄漏和拉絲侵蝕；節(jié)流閥芯尾端設(shè)置阻尼腔以抑制振動(dòng)、噪聲，提高節(jié)流閥的工作穩(wěn)定性等措施。第三章單向節(jié)流閥的建模31三維建模SOLIDWORKS簡(jiǎn)介SOLIDWORKS一套機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它采用了大家所熟悉的MICROSOFTWINDOWS圖形用戶界面。使用這套簡(jiǎn)單易學(xué)的工具，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師能快速地按照其設(shè)計(jì)思想繪制出草圖，嘗試運(yùn)用特征與尺寸，及制作模型和詳細(xì)的工程圖。311SOLIDWORKS軟件基本內(nèi)容（1）SOLIDWORKS模型由零件、裝配體和工程圖組成。（2）通常，您從繪制草圖開(kāi)始，然后生成基體特征，并在模型上添加更多的特征。（您還可以從輸入的曲面或幾何實(shí)體開(kāi)始。）（3）您可以隨意添加特征、更改特征以及將特征重新排序，進(jìn)一步完善您的設(shè)計(jì)。（4）由于零件、裝配體及工程圖的相關(guān)性，所以當(dāng)其中一個(gè)視圖改變時(shí)，其它兩個(gè)視圖也自動(dòng)相應(yīng)改變。（5）您隨時(shí)可在設(shè)計(jì)過(guò)程中生成工程圖或裝配體。（6）SOLIDWORKS應(yīng)用程序允許您自定義功能以滿足需要。（7）單擊主菜單欄上的工具、選項(xiàng)，顯示可用的系統(tǒng)選項(xiàng)和文件屬性標(biāo)簽。（8）SOLIDWORKS應(yīng)用程序可以為您保存工作。（9）自動(dòng)恢復(fù)選項(xiàng)可以自動(dòng)保存關(guān)于激活零件、裝配體或工程圖文件的信息，從而不會(huì)在系統(tǒng)死機(jī)時(shí)丟失數(shù)據(jù)。如要設(shè)定此選項(xiàng)，請(qǐng)單擊工具、選項(xiàng)。在系統(tǒng)選項(xiàng)標(biāo)簽上，單擊備份，選擇保存自動(dòng)恢復(fù)信息每N次變更。指定信息自動(dòng)保存前應(yīng)發(fā)生的變更次數(shù)。312SOLIDWORKS軟件的特點(diǎn)（1）第一個(gè)在WINDOWS操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)的CAD軟件，采用WINDOWS系列，與WINDOWS系統(tǒng)全兼容，是WINDOWS的OLE/2產(chǎn)品。（2）菜單少，使用直觀、簡(jiǎn)單，界面友好。SOLIDWORKS一共只有60多個(gè)命令，其余所有命令與WINDOWS命令是相同的；下拉菜單一般只有二層，（三層的不超過(guò)5個(gè)）；圖形菜單設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明快，非常形象化，一看即知。系統(tǒng)的所有參數(shù)設(shè)置全部集中在一個(gè)選項(xiàng)（OPTION）中，容易查找和設(shè)置。動(dòng)態(tài)引導(dǎo)具有智能化，一般情況下無(wú)須用戶去修改。特征樹獨(dú)具特色，實(shí)體及光源均可在特征樹中找到，操作特征非常方便。裝配約束所有的概念非常簡(jiǎn)單且容易理解。實(shí)體的建模和裝配完全符合自然的三維世界。對(duì)實(shí)體的放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等操作全部是透明命令，可以在任何命令過(guò)程中使用，實(shí)體的選取非常容易、方便。（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口豐富，轉(zhuǎn)換成功率高SOLIDWORKS支持的標(biāo)準(zhǔn)有IGES、DXF、DWG、SAT（ACSI）、STEP、STL、ASC或二進(jìn)制的VDAFS（VDA，汽車工業(yè)專用）、VRML、PARASOLID等，且與CATIA、PRO/ENGINEER、UG、MDT、INVENTOR等設(shè)有專用接口。SOLIDWORKS與IDEAS、ANSYS、PRO/ENGINEER、AUTOCAD等之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換均非常成功、流暢。（4）獨(dú)特的配置功能SOLIDWORKS允許建立一個(gè)零件而有幾個(gè)不同的配置（CONFIGURATION），這對(duì)于通用件或形狀相似零件的設(shè)計(jì)，可大大節(jié)約時(shí)間。（5）特征管理器特征管理器PROPERTYMANAGER是SOLIDWORKS的獨(dú)特技術(shù)，在不占用繪圖區(qū)空間的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的操縱、拖曳等操作。（6）自上而下的裝配體設(shè)計(jì)技術(shù)（TOPTODOWN）目前只有SOLIDWORKS提供自上而下的裝配體設(shè)計(jì)技術(shù)，它可使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)零件、毛坯件時(shí)于零件間捕捉設(shè)計(jì)關(guān)系，在裝配體內(nèi)設(shè)計(jì)新零件、編輯已有零件。（7）比例縮放技術(shù)可以給模具零件在X、Y、Z方向給定不同的收縮而得到模具型腔或型芯。（8）曲面設(shè)計(jì)工具用SOLIDWORKS，設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)造出非常復(fù)雜的曲面，如由兩個(gè)或多個(gè)模具曲面混合成復(fù)雜的分型面。設(shè)計(jì)者亦可裁減曲面、延長(zhǎng)曲面、倒圓角及縫合曲面。32單向節(jié)流閥流道建模本篇論文的重點(diǎn)是從流道流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，進(jìn)而優(yōu)化得到更合理的內(nèi)部流場(chǎng)流道。本人先是根據(jù)前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，把節(jié)流閥的內(nèi)部工作原理模型進(jìn)行分析，在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，從而得到結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流道優(yōu)化過(guò)的，各項(xiàng)性能都比較好的單向節(jié)流閥的模型。由于本文主要是對(duì)單向節(jié)流閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析和優(yōu)化，所以就必須對(duì)節(jié)流閥內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行相對(duì)的優(yōu)化，以便于更好地利用邊界條件和閥內(nèi)部的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，從而更好、更合理地對(duì)單向節(jié)流閥進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析。下面將把單向節(jié)流閥的內(nèi)部簡(jiǎn)化型腔和閥芯給大家介紹一下。322單向節(jié)流閥的內(nèi)部空型腔實(shí)體建模下圖為簡(jiǎn)化后的單向節(jié)流閥的內(nèi)部型腔流道模型圖31單向節(jié)流閥內(nèi)部型腔流道模型效果圖322單向節(jié)流閥內(nèi)部閥芯簡(jiǎn)化實(shí)體建模下圖為簡(jiǎn)化后的單向節(jié)流閥內(nèi)部閥芯模型圖33單向節(jié)流閥內(nèi)部閥芯簡(jiǎn)化模型效果圖33本章小結(jié)本章主要是利用三維軟件對(duì)單向節(jié)流閥的內(nèi)部型腔和內(nèi)部閥芯進(jìn)行實(shí)體建模。開(kāi)始時(shí)我認(rèn)為要對(duì)整個(gè)單向節(jié)流閥進(jìn)行系統(tǒng)其具體地建模，但后來(lái)我才發(fā)現(xiàn)，只有對(duì)節(jié)流閥內(nèi)部流道進(jìn)行簡(jiǎn)化建模才能更有利于接下來(lái)的內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬分析。在建模過(guò)程中，我不斷地嘗試各種節(jié)流口形式的建模，并選取了最優(yōu)化的建模方法，從而更利于接下來(lái)的流體分析，也只有把單向節(jié)流閥的內(nèi)部流道進(jìn)行簡(jiǎn)化后，才可能更精確地對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。第四章單向節(jié)流閥的模擬仿真41計(jì)算流體力學(xué)的特點(diǎn)任何流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律都是以能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒三大定律為基礎(chǔ)的。這些基本定律可以通過(guò)積分或者微分的形式來(lái)描述。把這些積分或者微分用離散的代數(shù)形式代替，使得積分或微分的形式變?yōu)榉匠袒蚍匠探M，然后借助于電子計(jì)算機(jī)來(lái)求解方程或方程組，從而得到流場(chǎng)在離散的時(shí)間或空間上的數(shù)值解。這樣的方法稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICS，簡(jiǎn)稱CFD，也稱流場(chǎng)的數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算，數(shù)值仿真。研究流體力學(xué)的方法一般是實(shí)驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值模擬三種。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)自20世紀(jì)60年代中已形成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支，成為研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解決很多工程實(shí)際問(wèn)題的三大手段之一。近年來(lái)，隨著高速巨型并行計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算方法的不斷創(chuàng)新，計(jì)算流體力學(xué)更有了日新月異的進(jìn)展。它為流體力學(xué)的發(fā)展掀開(kāi)了新的一頁(yè)，成為當(dāng)今最活躍的研究領(lǐng)域之一。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，就是在電子計(jì)算機(jī)上求解流體動(dòng)力學(xué)基本方程的學(xué)科，通過(guò)數(shù)值求解各種簡(jiǎn)化的或非簡(jiǎn)化的流體動(dòng)力學(xué)基本方程，獲取各種條件下流場(chǎng)的數(shù)據(jù)和作用在繞流物體上的力和熱量。CFD模擬的目的是幫助理解流體流動(dòng)，建立理論和模擬的數(shù)學(xué)模型，在工程上支持設(shè)計(jì)過(guò)程和做出決斷。模擬的目的就是對(duì)流場(chǎng)做出預(yù)測(cè)和獲得知識(shí)，理論地預(yù)測(cè)出自于數(shù)學(xué)模型的結(jié)果，而不是出自于一個(gè)實(shí)際的物理模型的結(jié)果。數(shù)學(xué)模型主要是由一組微分方程組成，這些方程的解就是CFD模擬的結(jié)果。在流體力學(xué)基本方程中的微分和積分項(xiàng)中包括時(shí)間、空間變量以及物理變量。要把這些積分或者微分項(xiàng)用離散的代數(shù)形式代替，必須把時(shí)空變量和物理變量離散化。空間變量的離散對(duì)應(yīng)著把求解域劃分為一系列的格子，稱為單元體或控制體。所謂數(shù)值解就是在這些離散點(diǎn)或控制體中流動(dòng)物理變量的某種分布，它們對(duì)應(yīng)著的流體力學(xué)方程的用數(shù)值表示的近似解。由此可見(jiàn)，CFD得到的不是傳統(tǒng)意義上的解析解，而是大量的離散數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著流體力學(xué)基本方程的近似的數(shù)值解。作為研究工具，計(jì)算流體力學(xué)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是與流體有關(guān)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工具。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實(shí)及理想條件等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與液壓閥等基本理論的結(jié)合，比采用試驗(yàn)可視化方法更容易、直接，而且可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)開(kāi)支。在初步設(shè)計(jì)階段，用計(jì)算流體力學(xué)可以較快地進(jìn)行技術(shù)可行性分析，多種方案的篩選。相對(duì)于試驗(yàn)階段更省時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益更好。在對(duì)某個(gè)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)階段時(shí)，計(jì)算流體力學(xué)更方便進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。總之，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在工程設(shè)計(jì)中不僅可以得到很好的對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)，減少和避免風(fēng)險(xiǎn)，而且可能花費(fèi)更少的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)獲取性能優(yōu)化。另外，計(jì)算流體力學(xué)可以方便靈活地改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，并且可直接獲取基本方程的解，可以獲得整個(gè)流場(chǎng)中任意一點(diǎn)處的詳細(xì)情況，給出流場(chǎng)包括力，速度，密度，溫度等所有詳盡的數(shù)據(jù)，能方便的識(shí)別一些關(guān)鍵參數(shù)的影響和探索力學(xué)現(xiàn)象相互作用的結(jié)果和規(guī)律，研究流動(dòng)機(jī)理很方便。比如在液壓技術(shù)的流道流場(chǎng)中，通過(guò)對(duì)液壓元件的壓力分布，流線走向，以及對(duì)紊流模型中流場(chǎng)內(nèi)部中漩渦、氣穴部位等的研究，可對(duì)流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改造。過(guò)去計(jì)算流體力學(xué)只是研究和發(fā)展部門的專家使用的工具，現(xiàn)在計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)部門。采用CFD的方法對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通常包括以下步驟1建立反映工程問(wèn)題或物理問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型具體地說(shuō)就是要建立反映問(wèn)題各個(gè)量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點(diǎn)。流體的基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應(yīng)的定解條件。2尋求高效率、高精確度的計(jì)算方法即建立針對(duì)控制方程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的計(jì)算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標(biāo)的建立，邊界條件的處理等。這些內(nèi)容是CFD的核心。3進(jìn)行計(jì)算這部分工作包括計(jì)算網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入和控制參數(shù)的設(shè)定等。這是整個(gè)工作中花時(shí)間最多的部分。4顯示計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果一般通過(guò)圖表等方式顯示，這對(duì)檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。以上這些步驟構(gòu)成了CFD數(shù)值模擬的全過(guò)程。42FLUENT軟件簡(jiǎn)介過(guò)去CFD只是研究和發(fā)展部門的專家使用的工具，現(xiàn)在CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)部門。本課題選用CFD軟件FLUENT進(jìn)行流場(chǎng)的仿真分析。FLUENT軟件根據(jù)用戶的需求，針對(duì)各種流動(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，用戶可采用不同的離散格式和求解算法，可使用單、雙精度計(jì)算，使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。其設(shè)計(jì)是基于CFD軟件群的概念，F(xiàn)LUENT將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來(lái)，軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換，并采用統(tǒng)一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng)，將主要精力和智慧用于物理問(wèn)題本身的探索上。421FLUENT程序的結(jié)構(gòu)FLUENT程序軟件包主要由以下幾個(gè)部分組成1GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。2FLUENT進(jìn)行模擬計(jì)算的求解器。3PREPDF用于模擬燃燒過(guò)程。4TGRID用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。5FLITERS轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格。通常使用GAMBIT專用前處理器進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。對(duì)二維流動(dòng)，可以生成三角形和矩形網(wǎng)格對(duì)于三維流動(dòng)，則可生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格。結(jié)合具體計(jì)算，還可生成混合網(wǎng)格，其自適應(yīng)功能，有三角形和四面體的等角適應(yīng)網(wǎng)格、懸掛節(jié)點(diǎn)適應(yīng)網(wǎng)格功能，能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動(dòng)網(wǎng)格。對(duì)于給定的精度，自適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格細(xì)化方法變得很簡(jiǎn)單，并且減少了計(jì)算量，可以根據(jù)自己的需要，比如幾何模型的特征或流場(chǎng)解析結(jié)果局部細(xì)化網(wǎng)格。FLUENT求解器具有良好的人機(jī)界面，單位的換算有極大的靈活性，采用有限體積法作為求解NS方程組的方法，有“分離”和“耦合”兩種求解器，有多種紊流模型可以選擇，如SPALARTALLMARAS粘渦模型，包括STANDARDK模型，REALIZABLEK模型和RGK模型，兩種K模型，雷諾應(yīng)力模型，大渦模型等等。對(duì)每一種物理問(wèn)題的流動(dòng)才李點(diǎn)有適合它的數(shù)值解法，用戶可對(duì)顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，使計(jì)算也度、不急定性和精度等方而達(dá)到最佳。在后處理方面，F(xiàn)LUENT自身的后處理功能就非常強(qiáng)大。生成的結(jié)果可以是流場(chǎng)壓力等變量的輪廓圖和速度等的矢量圖以及流動(dòng)中的流線圖等。求解的結(jié)果可以方便地顯示在不同的截面上，以便于分析，并且可以生成文字性的報(bào)告。FLUENT提供了許多計(jì)算和報(bào)告表面和邊界積分值的工具。這些工具可以讓用戶得到通過(guò)邊界的物質(zhì)質(zhì)量流率和熱量傳遞速率，在邊界處的作用力以及動(dòng)量值，還可以得到在一個(gè)面上或者在一個(gè)體中的面積、積分、流率、平均值和質(zhì)量平均值其它童。另外，用戶還可以得到幾何形狀和求解數(shù)據(jù)的直方圖，設(shè)置無(wú)因次系數(shù)的參考值以及計(jì)算投影表面積。用戶也能打印或者存儲(chǔ)一個(gè)包括當(dāng)前CASE中的模型設(shè)定、邊界條件和求解設(shè)定等情況的摘要報(bào)告。FLUENT具有很大的靈活性與能力，可以使用它的UDF功能滿足特殊要求。422FLUENT程序可以求解分析的問(wèn)題FLUENT軟件應(yīng)用非常廣泛，主要范圍如下可壓與不可壓流動(dòng)問(wèn)題。穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流