球阀阀口气穴流场的模拟与可视化研究

将RNGκ-ε湍流模型与多相流技术相结合，应用于球阀阀口的气穴流场的数值模拟。计算了二维轴对称气穴流场的速度、压力及气体体积比分布。运用卤素灯与高速摄像机组成的流场可视化试验系统观察了球阀阀口附近的气穴现象，获得了气穴流场的分布信息，与仿真结果比较，吻合良好，表明RNGκ-ε湍流模型能有效地描述球阀等液压元件的阀口气穴流动。同时对球阀有无气穴现象分别进行了噪声测试和频谱分析，试验结果表明，气穴现象使球阀噪声级增加。     

比例阀异形阀口流量特性PIV可视化实验研究

以比例阀异形阀口的流量特性为研究对象,搭建了U形、V形、圆头渐扩形节流槽阀口结构的数学模型,并进行了仿真与实验研究,分析了异形阀口在不同压差及不同开口度条件下的流量特性,得到了圆头渐扩形阀口形式具有较好的流量控制线性度。采用相似实验的方法,按雷诺相似准则设计比例阀实验模型,并选用纯水为介质,利用2D-PIV流场测试技术对异形阀口流场特性进行了可视化实验研究,得到了圆头渐扩形阀口不但具有较好的流量特性,并且降低了旋涡的面积与强度,预期会产生较小的流动损失。     

节流槽阀口静态流动特性研究

研究了3种具有代表性结构特征节流阀口的静态流动特性。采用流场仿真分析了阀口处的压降分布特性,并描述了节流面位置随开度的变化过程。推导了阀口过流面积公式,分析了3种节流阀口的节流特征。从流量-压差特性出发,结合试验研究和理论分析,推导出了流量系数与雷诺数的数学关系式,得到了流量系数稳定值Cdst,并探讨了流量系数随开度的变化规律。在理论计算值和试验结果相互吻合的基础上,进一步研究了阀口稳态液动力和节流刚度特性,并利用试验测量结果验证了其正确性。研究表明:球形槽的通流能力强,初始段流量系数大,适用于需要快速建立系统压力的情况;三角形槽节流刚性足,流量增益平稳,适用于需要精确控制的场合;渐扩U形槽既能保证启闭时的灵敏性,也能满足运行的平稳性。     

斜坡渐扩形节流槽对比例阀微动特性影响研究

针对现有U形节流槽的比例阀在小开口处，阀口过流面积变化梯度较为剧烈、流量增益较大，导致比例阀在小开口时会产生启动不平稳、响应速度较慢和流量控制精度较低的问题，提出一种节流槽形状为斜坡渐扩形的新阀芯。通过理论计算和模拟仿真的方法，对比分析了U形节流槽和斜坡渐扩形节流槽的过流面积变化梯度以及不同阀口开度下的位移特性、流量特性和阀口流动特性。由仿真结果可知，相较于U形节流槽，斜坡渐扩形节流槽在阀口开度为1mm时，阀芯位移响应时间缩短0.04s；在阀口开度为2mm时，阀芯位移响应时间缩短0.07s。且斜坡渐扩形节流槽在阀口开度较小时，稳态液动力更小，流动状态更稳定，造成的流动损耗也更小。最后进行了试验验证，由试验结果可知，斜坡渐扩形节流槽阀芯位移响应时间缩短0.08s，且阀芯流量响应特性曲线的线性度更好。通过对仿真和试验结果的对比分析可知，当节流槽形状为斜坡渐扩形时，阀芯在小开口处过流面积变化梯度较小，流量增益较为平稳，从而提高了阀的启动平稳性、响应速度和流量控制精度，改善了比例阀微动特性。     

滑阀节流槽阀口的流量控制特性

提出以节流槽内节流面的串并联效应确定二节矩形节流槽阀口面积的原则,推导出阀口面积的计算公式并编制了阀口面积的计算程序;在此基础上对二节矩形节流槽的流量特性进行了试验,试验表明二节矩形节流槽阀口的流量系数是单节矩形槽阀口流量系数的组合,流量系数在阀口开度较小或接近全开时流量系数快速增大,在阀口开度中间区段流量系数较小,在二节节流槽的交界处流量系数增大,流出节流槽方向的流量系数比流入方向约大0.1;提出了反映节流槽阀口流量控制特性的参数阀口流量面积Aq,阀口流量面积为阀口面积和流量系数的耦合函数,与阀口面积及流量系数传统概念相比,阀口流量面积更加合理地表征了阀口几何面积和阀口形状对流量的控制作用.     

锥台形液压锥阀过流面积CFD可视化计算

针对液压插装阀的主阀都采用平底断面,但在计算流量时却采用按完整锥面锥阀导出的过流面积计算公式,从而造成非常大的计算误差、不能准确指导设计的问题,采用CFD流场可视化仿真对锥台形锥阀的出流特性进行了研究。通过分析阀内流场参数分布特征,判断锥阀过流断面位置,提出了转折开口度的概念。得出锥台形锥阀的阀芯在大行程范围移动时过流断面面积变化存在关键的转折点,不同行程范围不同内外流流动状况过流断面位置不同,相对应的面积计算公式也不同。采用新的面积计算公式,可以比较准确地计算锥台形锥阀的过流面积和通过阀的流量。同时,对比内外流流动状况的阀内流场特征,结合确立的过流断面,指出对于锥台形锥阀流动应考虑孔口节流损失和进出阀口局部损失的混合作用,内外流流动时进出阀口局部损失的不同是内外流流量特性不同的根源。     

三角阀片式可调油气弹簧旁通阀流量及阻力特性试验

给出了油气弹簧结构原理图，通过油气弹簧活塞与活塞杆的受力分析，对三角形节流阀片建立了力学模型，对三角形节流阀片的弯曲变形进行了分析，根据旁通阎打开时对油气弹簧所要求的阻尼比，对可调油气弹簧的最大开阀速度和开阀压力进行了分析，对旁通阀的流量进行了设计研究，最后，对油气弹簧阻力特性进行了数字仿真分析和台架试验。由仿真和试验结果可知，旁通阀的流量设计是正确的，旁通闽流量影响可调油气弹簧的阻尼特性。     

超高压气动加注阀流量特性试验研究

以预混高压气体加注为工程背景,对超高压气体精确加注的关键元件——超高压气动加注阀的流量特性进行了试验研究。利用杠杆原理和自密封结构设计,解决了超高压气动加注阀阀芯驱动力大、响应速度慢和高压气体泄漏的难题,设计出中低压小流量控制高压大流量的超高压气动加注阀。阐述了气动加注阀阀口流量特性的试验装置和测试系统,建立了阀门不同开度下的加注阀流道简化模型,在加注压力大于10 MPa条件下,对气动加注阀在不同阀口节流面积下的流量特性进行了试验研究。试验表明,储罐气体背压增长率和阀门开启高度对阀口流量特性影响较大;阀门开度较大时,阀口流道可简化为两级节流口串联,流量特性与理想收缩喷管相符,临界压力比在0.5左右;阀口开度较小时,阀口流道可简化为三级节流口串联,流量特性比较独特,临界压力比在0.3左右;增大阀门开度和加注压力是提高瞬时流量和流量系数最为有效的方法。     

GPCM控制阀内流道流场仿真

广义脉码调制(GPCM)控制阀是一种组合型式的阀,组成的各基元通过液压集成块连接到一起。流体运动在液压集成块流道内的分布规律是研究液压阀流量控制与节能的关键之一,流体在流道内的分布规律决定流体能量损失的大小。利用计算流体力学(CFD)对GPCM控制阀进行了流场的仿真研究,得到了阀内部压力变化与基元流量之间的关系。研究结果有助于在设计GPCM控制阀时使结构优化,降低阀内部能耗与噪声,提高性能。     

阀芯运动状态滑阀内部流场的可视化分析

应用CFD软件Fluent,以全周开口滑阀为例,对滑阀阀芯运动过程内部流场变化特性进行了可视化分析.计算发现当阀处于小开口、大流量、阀芯高速运动时,瞬态液动力数值较大,设计阀时必须加以考虑.由于流道和阀体的不对称,在阀杆上还作用有不对称的径向力,会引起阀芯卡紧,很难用结构设计的方法加以平衡.通过对滑阀动静态流量系数进行计算,发现随着阀口开度和阀芯运动状态的不同,流量系数变化较大.     

液控智能转换接头的数值分析及优化设计

为了验证液控智能转换接头设计的合理性,优化其内部流道结构,利用Pro/E构建了该智能转换接头的三维模型,划分了非结构网格,根据该装置工作原理和特点,采用标准k-ε模型及壁面函数法,确定了控制方程及边界条件,利用有限元分析软件对装置内部的单向阀在4个不同开度下的内部流场进行了数值模拟,分析了4个不同开度下内部流场的速度分布图及湍动能分布图,并搭建了试验台对装置在4个开度下的出口流量及进出口压差进行了测试,通过数值分析及试验数据的对比确定装置水力损失较小的最佳开度.试验结果表明,智能接头基于液压控制原理可以实现采油状态和测试状态的智能转换,满足功能要求;单向阀在50 mm开度下内部流动损失较小且流速较大,内部流动状态最佳.数值分析与试验结果基本吻合,该结果为改进装置内部结构、提升装置采油作业生产效率提供了依据.     

微型自动排气阀的工作机理与排气特性

为研究某微型自动排气阀的工作机理和排气特性,并为性能预测和优化设计提供理论基础,采用CFD计算方法对其内部流动和排气特性进行数值模拟研究并进行试验验证.建立了排气阀完整的CFD分析模型并进行三维流场计算,获得了排气和排油状态下的内部流场结构和相应的截止压力.分析了阀瓣位置、流道尺寸对球体升力和阀门截止压力等参数的影响,比较了CFD计算结果和通用理论公式计算结果.建立了排气阀排气特性的测试装置,对排油和排气工况下的截止压力进行测量.研究结果表明:基于CFD分析的截止压力预测结果与试验结果吻合较好;在油介质条件下,通用理论公式计算结果相对CFD预测结果存在较大误差,在空气介质下,两者吻合较好;阀瓣1/2腔高位置的计算结果较为合适;该类型排气阀在结构等比例放大后可保持截止压力不变;所得计算方法及排气特性分析结果可应用于微型排气阀的设计与优化.     

大型灌溉管网减压阀特性数模分析与试验研究

为了探求大型灌溉管网中适用性更强的减压阀型式,提出了一种新型减压阀结构设计方案,阐述了其结构组成和工作原理.运用Gambit和CFX软件建立了阀瓣在5个开度工况下整体结构的三维模型,对阀体进行了数值模拟,分析得到了阀体的静态特性.探明了不同进口流量条件下,减压阀进出口压差变化规律和阀瓣所受驱动力变化规律,同时分析了阀体及特殊截面的压强和速度分布云图.通过模型试验测得阀瓣开度分别固定在1.0,1.6,2.4 cm时,不同进口流量条件下进出口压差值,结果表明:试验与数模结果偏差在2.8%~7.9%,数值模拟和物理模型试验结果证明结构改进设计方案是合理的.为减压阀阀体结构设计提供了理论指导,并为今后同类产品开发提供了参考依据.     

闸阀调节过程的三维模拟及其动态模型

为了研究泵系统调阀过程的瞬态特性和内流机理,在一维分析软件Flowmaster中建立了包含管路、阀门和泵在内的仿真模型,并以三维简化闸阀为模型,采用Fluent 6.2进行计算,对开启过程的非定常内部流动进行数值模拟研究.采用动网格的方法分析了阀门开启过程中阀芯运动引起的流场变形.结果表明:直线特性和对数特性的调节阀都具有快开特性,即流量变化对阀门的相对开度相当敏感,当阀门开度为10%～20%时,水击压力迅速下降;而通过内部流态分析可知,在阀门开度较小的工况下,阀后流场紊乱,造成较大的水力损失,使阻力系数值增加,当阀门开度小于50%时,稳态和瞬态工况下阀门的阻力系数值有较大的区别.由分析可知,研究阀门开启过程的瞬态特性,以及建立内部流态模型,都不能完全按照通常的稳态理论进行,尤其对阀门开度较小的工况,应对其进行一定程度的修正,以保证计算结果的正确性.     

基于Flowmaster的不同阀门开度对供水管网优化

为了进一步提高供水管网的优化性能,利用 Flowmaster仿真软件,给出了管道、闸阀、阀门开度控制器等原件的建模过程,研究了阀门在不同程度下开启度对优化供水管网系统的影响,并建立多组对比模型参数进行仿真且着重分析了在阀门不同开启度下系统中管道阻力系数的变化.首先以流体管路系统为研究对象,对系统整体进行建模,其次对闸阀、管道的阻力损失规律进行优化分析,最后针对不同供水工况分别探究了阀门开启度对管道阻力损失的影响,得出最佳阀门开启度.结果表明,当供水管网系统分别处于大、小流量运行工况时,此时应根据用户实际用水需求量、阀门阻力系数、管道损失系数等方面因素综合调节各阀门开度,从而可以适当降低管网中的水力阻力损失,优化供水管网系统.     

倒吊桶先导式蒸汽疏水阀的设计与数值模拟

针对高温高压大排量下先导式蒸汽疏水阀噪声高、导阀承压能力低的问题,设计并研制了一种新型超大排量倒吊桶先导式蒸汽疏水阀,建立了其数学模型,并基于节流降压原理设计了两级节流套筒式消声器.以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡黏性理论的k-ε方程组成疏水阀内部流动数值模拟的控制方程组,采用结构与非结构网格相结合的有限体积法对控制方程组进行离散,应用CFD软件Fluent对阀内流动进行三维湍流数值模拟计算.结果表明：该先导式蒸汽疏水阀采用倒吊桶疏水阀作为导阀,使导阀最大承压能力由目前的6.3MPa提高到10 MPa以上,最高工作压力8 MPa,排量可达30 t/h.通过对比分析可知：加消声器后,阀内流场变得均匀,实现了压力的渐变,有效防止了空化现象的发生,最大压降由247.7 kPa减小到190.8 kPa,总压降增大了165.6 kPa,压降比由0.18提高到0.56,降噪量为33 dB（A）.     

水泵水轮机在水轮机工况的导叶水力矩特性

在进行水泵水轮机最高水头的水轮机工况导叶水力矩试验的基础上,使用计算流体动力学方法分析与试验工况相对应的流场特性.选取标准k-ε两方程模型进行定常数值模拟,使用SST k-ω两方程模型进行非定常计算分析内流场特性.计算结果表明：水力效率的数值模拟结果和试验值的误差在允许范围之内;在各开度下,导叶水力矩因数模拟结果和试验结果吻合较好.通过内流场分析发现,在小开度时（A0=13mm）,无叶区和转轮流道中都存在回流和旋涡导致流动不稳定,在最大开度时（A0=49mm）,活动导叶背面靠近尾缘处容易出现边界层分离,力矩值与导叶附近的压力值随时间的变化规律相似,且力矩因数值呈周期性小幅波动.     

曲轴摆缸式阀配流水液压马达工作特性研究

为解决盘配流和轴配流低速大扭矩水液压马达配流副存在的磨损和泄漏问题,提出一种新型阀配流结构的低速大扭矩水液压马达,柱塞配流通过配流凸轮控制配流阀的通断实现。研究柱塞运动学规律和马达输出扭矩形成,揭示配流阀推杆位移、阀芯通断、柱塞进回液间的对应关系,分析马达角排量波动随转角、结构设计参数K的变化规律,当结构设计参数K为0.13时,马达输出扭矩波动率为6.59%。在AMESim中建立了配流阀及单柱塞配流过程的仿真模型,分析配流阀的工作特性及单柱塞动态配流性能,工作中配流阀产生最大压降为0.08MPa,进/回液配流阀无高低压串液。为验证阀配流结构在水液压马达中的工作性能,建立阀配流单柱塞试验台,并研究不同工况下的配流工作特性。试验结果表明,配流阀在马达转速0~60r/min、压力0~21MPa的工况下稳定配流,进液阀口压力在柱塞腔进回液转换时存在瞬间小幅压力波动,但对配流过程基本无影响,阀配流结构能够满足曲轴摆缸式马达柱塞的配流需求,为低速大扭矩水液压马达的配流提供了思路。