基于数值仿真的泵阀变刚度弹簧设计与优化

目前往复泵锥形阀普遍采用定刚度系数弹簧,但是对于定刚度系数弹簧,单纯的通过调节刚度与预紧力并不能实现提高吸入性能的同时降低阀盘的落座速度与滞后高度,此外传统泵阀设计中,弹簧预紧力与刚度的确定往往是根据经验设计公式,这些公式是在特定条件下近似得到,简化过程中存在很大的计算误差。针对上述不足,该文建立了弹簧变刚度系数条件下阀盘运动规律的数学模型,论证了刚度渐减型弹簧可以提高往复泵的吸入性能,并基于阀盘运动规律的数值仿真模型,建立了以阀盘无冲击为约束条件,阀隙间最大水头损失最小为目标函数的优化模型,采用遗传算法与模式搜索相结合的优化方法对变刚度弹簧参数进行了优化求解,优化结果与传统设计方法确定的定刚度系数弹簧泵阀相比最大水头损失降低了20.85%。该优化设计方法对于指导泵阀弹簧参数设计具有一定的指导意义。     

新月形内齿轮泵内部泄漏与黏性摩擦损失模型构建

为了准确表征新月形内齿轮泵的内部流动特性,该研究根据静压支撑油膜理论及牛顿摩擦定理构建了该型齿轮泵内部泄漏数学模型及黏性摩擦损失数学模型,依据齿轮泵结构特点以及实际流动特征建立了基于两相流及动网格技术的CFD仿真模型,模拟分析了齿轮泵内部含气油液的流动特性,并与理论计算结果进行对比,最后进行试验验证。结果表明：在1/3周期内的瞬时体积流量与瞬时输入功率曲线均呈现连续周期性变化,两条曲线都有4个脉动;由于理论分析无法全面考虑油液实际流动过程而导致总泄漏量的理论值与仿真值相差60.11%,总黏性摩擦功率损失的理论值与仿真值相差66.66%;静态区域中流线相互平行,质点流动呈现层流状态,而在运动区域中却呈现完全湍流形态;压差流沿着新月形隔板内外两侧壁面以超过12 m/s的速度逆时针运动,而剪切流沿着外齿轮及内齿圈外壁同样以超过12 m/s的速度顺时针运动,在完全密封的齿间出现不同尺度的旋涡,旋涡中心的液体脱落现象使得其中的流体速度为0。在啮合齿面油膜的密封作用下,间隙最小处出现断流,啮合区的最大泄漏量为0.16 L/min;试验与仿真的容积效率相差1.34%,偏差率为1.37%;试验与仿真总效率相差1.40%,偏差率为1.74%。该研究获得了新月形内齿轮泵流动特性精确数学模型,验证了数值计算模型的适用性及仿真结果的准确性,可为完善齿轮泵设计理论与内流场特征分析提供参考。     

重型拖拉机电液提升器插装式比例提升阀性能仿真与试验

为更准确地反映重型拖拉机电液提升器比例提升阀的本质特性,该文剖析了比例提升阀中各液压组件的内部结构和工作机理,并应用现代控制理论状态空间法建立了基于边界条件的比例提升阀非线性数学模型,应用MATLAB/Simulink搭建其仿真模型,基于四阶龙格库塔算法对其动、静态性能进行了仿真分析,揭示了其内部阀芯的运动规律。仿真结果表明:在静态性能方面,比例提升阀平均负载补偿压力约为1.5MPa,流量基本稳定在62L/min附近,具有良好的负载压力补偿和稳态调速特性;在动态性能方面,比例提升阀系统输出流量波动受负载变化影响小,且具有良好的动态调速性能。基于闭心式负载敏感液压系统试验平台,开展了比例提升阀稳态流量特性和动态性能试验,试验结果表明:比例提升阀静态流量输出平稳,回程误差小于5%,当负载阶跃变化时,比例提升阀可实时进行压力补偿,补偿压力约为1.5 MPa,液压冲击小,具有良好的稳态调速特性,满足重型拖拉机电液提升器田间作业需求,该研究可为拖拉机液压系统关键零部件建模仿真和试验分析提供参考。     

离心泵快速变工况瞬态过程特性模拟

为研究离心泵在不同工况点快速切换过程中的瞬态特性,该文以一台低比转速离心泵为研究对象,对其工况流量突然减小的瞬态过程,分别采用理论分析和数值计算的方式进行了外特性预测和内流场仿真研究。首先基于叶轮机械广义欧拉方程式,对离心泵模型在流量突然减小瞬态过程中的附加理论扬程进行了定量计算与分析。结果表明,同等条件下,变工况过程结束后的稳定流量越小,附加理论扬程越大,瞬态效应愈发明显;同时该瞬态过程后期的瞬态效应比前期更为明显。动静干涉效应对泵出口流动参数产生显著影响,而对泵进口流动参数的影响并不明显;动静干涉效应对小流量工况时各个流动参数的影响将尤为显著。叶片与隔舌相对位置最近时,计算扬程最小;当隔舌位于叶轮流道中间位置稍后时,计算扬程最大。同一个转动周期(T)内,选取叶片转过隔舌后的0.225 T和0.825 T位置进行单次定常计算可取得较高精度的数值预测结果。动静过流部件和粘性效应使得叶轮和蜗壳内的轴向速度分布规律完全相反。瞬态过程中流体加速效应使得瞬态流场演化整体上滞后于准稳态流场。     

半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

为研究不同工况下,叶顶间隙对半开式叶轮离心泵内部流场及外特性的影响,该文对某半开式叶轮离心泵内部三维湍流流场进行数值模拟。揭示了离心泵内不同工况下叶轮流道和叶顶间隙层内的流动规律,对比分析了4种不同流量工况下叶顶间隙泄漏涡的流动特性、叶顶间隙层总压与相对速度分布,以及流量的变化对离心泵外特性的影响。结果表明:在小流量(设计流量为1.5 m3/h)时,间隙层内充满了泄漏涡,随着流量的增加涡核逐渐减少;大流量时涡核几乎消失,但此时流体速度激增,流动冲击损失变大在叶轮出口与间隙层附近存在着大面积回流,小流量时回流几乎占据了整个出口。通过模型泵外特性试验,验证了数值计算的准确性。该文为离心泵叶顶间隙设计及水力优化提供了参考。     

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流，这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性，数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响，分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明：两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内；对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸，入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%，扬程降低1.2 m；阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率；尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°，这两个叶片的压力面脱流加剧，产生逐渐向下游耗散的失速团，叶片承受2倍转频的非稳态激振力；尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右，最大径向力达到均匀入流的7倍左右，径向力矢量发生偏移，离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。     

农业物料球形颗粒临界速度动力特性的仿真

在SIMULINK集成环境下，利用临界速度动力特性的基本理论，对农业物料球形颗粒在流体中的运动过程进行仿真。仿真模型可以完成3项工作：获得物料在流体中运动过程的位移、速度、加速度曲线，计算临界速度和计算达到临界速度的时间。     

螺旋凸轮泵转子腔流量特性数值分析与验证

为了阐明螺旋角对凸轮泵转子腔内部流量特性的影响规律,揭示螺旋角和凸轮泵特性曲线的定量关系,基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对凸轮泵转子腔内部进行三维瞬态流动数值计算,比较了9种螺旋角凸轮泵转子腔内部流量特性,揭示了螺旋角对转子腔内部瞬态流动结构的影响机制,并通过理论计算及试验验证数值预测分对比析,其相对误差在2.5%~5.7%,具有较高的准确性。研究表明:螺旋角对凸轮泵流量特性及泵腔内部流动有显著影响,相比直叶转子,螺旋转子出口的平均流量和流量脉动幅值均明显降低,从而有效抑制转子腔内二次流、旋涡结构与转子间隙区速度突变;螺旋角为45°~60°时,泵出口平均流量达峰值,泵出口流量脉动幅值最低,转子腔内部流动结构较好,结果表明凸轮泵转子腔最优螺旋角取值为45°~60°。该研究可为凸轮泵转子优化设计提供参考。     

泥石流堵塞主河试验特征与模式

[目的]分析泥石流入汇主河后对主河的影响以及泥石流堵塞主河的模式机理。[方法]通过泥石流堵河试验,同时对历史泥石流堵河案例进行调查研究和典型性深入剖析。[结果]根据泥石流运动过程与淤积形态得出泥石流堵河的3种模式分别为顶冲堰塞堵断模式、渗混堵塞溃决模式、束窄渐进式堵塞模式。对泥石流堵塞主河3种模式的运动与成灾机理进行了初步探索。[结论]顶冲堰塞堵断模式表现为龙头顶冲对岸、物源塞满主槽、脆弱区渗漏到主体垮塌的特征;渗混堵塞溃决模式表现为短时塞满主槽,水流渗混堵塞,流量加大的特征;束窄渐进式堵塞模式表现为主槽断面束窄、局部流量瞬时加大、渐进式局部堵塞的特征。当前的历史堵河事件以束窄渐进式堵塞为主,与试验统计结果吻合较好。     

输水系统中泵组瞬变工况及其影响

在引黄入晋工程部分管段水工模型试验研究基础上，通过数值计算得到了泵组的瞬变工况，其特性与初始流量和调节幅度有关。泵组瞬变工况对全系统流动都会产生影响。系统中设置调压塔可以调蓄瞬变流量和阻尼瞬变压力水头。此成果可为类似的设计研究和计算提供一个范例。     

阀门调节式比例施肥泵性能分析与试验

为探明阀门调节式比例施肥泵的工作原理及水力性能，该研究针对施肥泵的结构原理及主要性能参数进行了分析，同时还进行了其水力性能的相关试验。研究结果表明：在进出口压差一定时，随着施肥泵三通阀角度的增大，进口流量先减小后增大，在所有正常工作压力下都呈现同样的趋势。施肥比例R与三通阀的水平分流比r成正比，且可以实现0.07%到0.35%范围内的连续变化，但其调节曲线并非单调上升，而是与活塞运动频率曲线的趋势相似。在正常工况下（进出口压差在0.06～0.18 MPa），三通阀角度为90°时，能量转换效率随着进出口压差的增大而增大；施肥比例稳定度为95.91%，表明施肥泵在不同进出口压差下工作时的施肥比例较为稳定。研究结果可为比例施肥泵的整体设计及优化提供指导。     

比例施肥泵驱动活塞受力分析及内部流动模拟与试验

为了研究比例施肥泵驱动活塞在往复运动过程中的受力情况,基于Fluent软件,通过用户自定义函数编程技术实现了相应的三维动网格模型,建立了比例施肥泵三维动态数值模拟模型,并通过实验数据对比验证了模型的可靠性。在此基础上,对施肥泵的内部流场进行了数值模拟。结果表明:所建立的数值模拟模型具有较好的准确性,模拟所得压差流量关系与试验结果基本一致,比例施肥泵流量的模拟值与试验值的最大相对误差为4.20%;模拟与试验所得活塞往复频率随压差的变化趋势基本相同,且模拟值与试验值的相对误差控制在12%之内。驱动活塞在往复运动过程中,泵内大部分流域流速较低,动能基本转变为压能驱动活塞。活塞上行运动与下行运动类似,在行程初期呈加速运动随后进行匀速运动。活塞不同表面所受到的力随压差的增大呈线性递增关系。该研究可为比例施肥泵的性能研究和结构设计提供参考。     

振动气吸式穴盘播种机的吸种性能研究

为了促进精量播种机的开发与应用,该文对振动气吸式穴盘播种机的吸种性能进行了理论分析。在种子盘近似单频被激振动的情况下,忽略种子空气阻力,使被抛掷的种子“沸腾”起来,以减少种子间的内摩擦力,提高吸种,固种能力。此时把空气流看作等熵流动,从而得出数学模型。试验结果与数学模型基本吻合。结果表明：在一定的真空度下,随着吸嘴直径的增大,吸种能力也随之上升,但吸嘴直径一定要小于种子的直径。吸种质量随吸嘴真空度的增加而提高,真空度较小时,对吸种高度的影响比较明显,真空度较大时,影响较小。真空度有一极限值48 kPa,在此真空度以上不能改善吸种质量;而在一定的真空度下,吸种高度随吸嘴直径变化比较明显均匀。     

基于格子波兹曼方法研究颗粒对缸套-活塞环油膜压力的影响

为了研究小于油膜厚度的固体悬浮颗粒对活塞环流体润滑的影响,该文从流场角度分析发动机缸套-活塞环的润滑区域,建立了缸套-活塞环润滑问题的格子波兹曼离散模型,基于雷诺边界条件的负压归零法,分析了油膜破裂时格子波兹曼方法(lattice boltzmann method,LBM)模拟润滑油流动的边界条件的处理方法,基于LBM对含有固体颗粒的润滑油流动进行流场分析,研究了多个颗粒对于活塞环润滑性能的影响。得到了颗粒位置、形状,以及在不同曲柄转角下对活塞环油膜压力的影响;分析了润滑区域的油膜速度分布,并与试验结果进行了定性的比较。结果表明,当颗粒距离活塞环较近时,对于活塞环附近的油膜压力场影响较大,而当颗粒距离活塞环较远时,颗粒的存在对于活塞环的油膜压力场影响较小;并且对于缸套-活塞环下止点磨损较严重的实验现象给予了理论分析。     

自由活塞发动机进气及压缩终了缸内气体流动特性分析

为组织好自由活塞发动机缸内气体流动,以提高可燃混合气混合质量,进而改善发动机燃烧质量,依据自由活塞运动特点,建立自由活塞发动机系统仿真模型,采用数值模拟方法对进气冲程和压缩冲程缸内流场进行仿真研究。分析结果表明,在进气冲程和压缩冲程时间之和一定情况下,进气冲程活塞运动快慢对进气终了缸内工质运动强度影响不大;快速压缩可提高压缩终了缸内工质运动强度,压缩终了单位质量湍动能在压缩冲程时间占进气冲程时间与压缩冲程时间总和45%时高达4.883 m2/(s2·kg),比压缩冲程时间占进气冲程时间与压缩冲程时间总和55%时高40%。采用慢进气快压缩的活塞运动规律,增大了压缩终了缸内流场运动强度,有利于火焰传播。该研究为组织缸内气体流动提供参考,对提高发动机性能具有重要意义。     

柴油机活塞二阶运动对内冷油腔机油振荡流动与传热的影响

柴油机活塞的二阶运动不仅影响活塞侧击力、摩擦磨损、机油耗和漏气量,而且还对活塞内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能产生影响。在活塞动力学与运动学分析的基础上,结合活塞内冷油腔内的振荡传热性能模拟试验结果,采用计算流体力学仿真方法,建立了包含往复运动与二阶运动的计算流体力学仿真模型,研究了活塞二阶运动对内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能的影响规律。研究结果发现,二阶运动的径向运动主要影响内冷油腔中机油的振荡流动,偏摆运动主要影响内冷油腔的瞬时换热性能。二阶运动使内冷油腔的瞬时充油率降低,循环平均降低4.6%。对油腔壁面的瞬时换热性能影响很大,最大的变化幅值为24.9%。对于整个换热过程,虽然充油率降低,但平均换热系数变化不大。因此,二阶运动对内冷油腔综合换热性能的影响可以忽略不计。该研究可为耐高温高强度铝合金活塞的设计提供理论和技术参考。     

负载敏感变量泵结构建模与性能分析

作为现代农业装备液压系统关键零部件,负载敏感变量泵为农业绿色生产提供了保障。为深入研究负载敏感变量泵的工作性能,该文重点分析了其内部机械结构和工作机理,充分考虑了各运动部件的有效行程范围,应用现代控制理论状态空间法建立了基于边界条件的负载敏感变量泵非线性数学模型,基于Matlab/Simulink软件,采用四阶龙格-库塔算法对其稳态和动态性能进行了仿真分析,并搭建闭心式负载敏感液压系统试验平台,完成其性能试验,通过对比分析负载敏感变量泵动态特性试验与仿真结果,得到负载补偿压力误差约为0.1 MPa,验证了负载敏感变量泵非线性数学模型的正确性。试验结果表明:负载敏感变量泵输出流量和压力可实时与负载相适应,补偿压力约为1.5 MPa,可有效提高液压系统效率,减少系统发热,满足现代农业装备作业机组的田间作业需求。     

破碎和均细化处理方式对胡萝卜汁中类胡萝卜素释放的影响

为研究不同破碎和均细化处理对胡萝卜汁中类胡萝卜素释放途径的影响,采用打浆﹑胶体磨和高压均质3种破碎和均细化方式处理胡萝卜汁。应用分光光度法对处理后不同植物组织(大细胞聚集体﹑小细胞聚集体和有色体)中类胡萝卜素含量,游离类胡萝卜素含量,总类胡萝卜素含量,油脂可萃取类胡萝卜素含量进行测定。应用激光共聚焦扫描显微镜观察不同处理后类胡萝卜素的分布情况。利用高效液相色谱法对油脂可萃取类胡萝卜素单体含量进行测定。通过显著性分析确定不同均细化处理对以上3种植物组织中类胡萝卜素含量﹑游离类胡萝卜素含量﹑总类胡萝卜素释放率和油脂可萃取总类胡萝卜素含量及单体含量的影响。结果表明破碎和均细化处理后,大细胞聚集体中类胡萝卜素所占比例减小(从36.18%减小至15.28%),小细胞聚集体(从11.11%增加至15.73%)和有色体部分(8.36%增加至30.56%)中类胡萝卜素所占比例增大,类胡萝卜素释放在对其释放阻碍程度低的组织部分中。经过均细化处理后,激光共聚焦显微镜下可见的类胡萝卜素颗粒减少,处理越均细,可见的类胡萝卜素颗粒越少。对胡萝卜汁处理越均细,胡萝卜汁中类胡萝卜素释放率越高,其中胶体磨和高压均质联合处理胡萝卜汁后类胡萝卜素的释放率为50.91%。对胡萝卜汁处理越均细,胡萝卜汁中油脂可萃取总类胡萝卜素﹑β-胡萝卜素和α-胡萝卜素含量越少。研究结果对后续分析如何提高胡萝卜汁中类胡萝卜素生物利用率提供依据。     

隔舌安放角对旋流泵内非稳态流动特性的影响

为明确舌安放角对旋流泵性能及非定常流动特性的影响,该研究设计了不同隔舌安放角的蜗壳模型,基于Navier-Stokes方程和RNG k-?湍流模型对旋流泵进行了全流场数值模拟,并通过能量性能和压力脉动试验对数值模拟方法进行了验证。能量性能预测结果表明,存在最优隔舌安放角使泵扬程和效率均达到极大值。流场分析结果表明,隔舌安放角对蜗壳隔舌及扩散段的流态具有较大的影响：较小的隔舌安放角会减小蜗壳喉部的过流面积,使无叶腔内流体的旋转运动受阻,致使循环流与隔舌的动静干涉作用增强;过大的隔舌安放角会造成扩散段产生大尺度的漩涡和回流。压力脉动分析表明,隔舌处压力脉动分布特征受安放角和测点位置共同影响：随隔舌安放角的增大,隔舌处的压力脉动先降低后增大,安放角由30°增大至45°时,2倍轴频（fn）的脉动最大降幅约47%,安放角继续增大至50°时,（0.25～0.5）fn的低频脉动最大增幅约86%;随着测点与叶轮轴向距离增大,隔舌处的压力脉动逐渐减小,叶轮一侧的脉动幅值约为泵体进口一侧的2倍。涡量场分析表明：蜗壳隔舌处频率为2fn的压力脉动由入口螺旋状入流发展扩散产生;隔舌处涡核分布的不对称性是导致蜗壳隔舌处压力分布不对称的原因。适当增大隔舌安放角能有效改善旋流泵隔舌处内流的稳定性,并一定程度提升旋流泵扬程和效率。综合各项性能表明该模型泵隔舌安放角45°时性能最优。研究结果可为旋流泵优化设计提供理论参考。