【正文】 、分析液壓控制閥及液壓系統(tǒng)的重要因素之一。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，不僅從各方面對節(jié)流閥進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，也從環(huán)保角度對液壓控制元件的質(zhì)量提升有積極的促進(jìn)作用，并且逐步取得了實質(zhì)性的突破。運用FLUENT前處理軟件GAMBIT進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分。 西南交通大學(xué)的王國志等運用三維流體分析軟件對水壓滑閥的流動狀態(tài)以及閥芯受力情況進(jìn)行了數(shù)值計算，對可視化的圖形圖像和計算結(jié)果進(jìn)行了分析研究。通過閥芯表面上的壓力積分計算了閥的穩(wěn)態(tài)液動力，根據(jù)公式估計了瞬態(tài)液動力和穩(wěn)態(tài)液動力兩者的比例。背壓對閥腔內(nèi)壓力分布有著直接的影響，同時決定了腔內(nèi)氣泡形態(tài)與噪聲聲級的大小。節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油田測試、固井等高壓管路中，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥桿來改變節(jié)流孔面積，以達(dá)到調(diào)節(jié)管路中壓力和流量的目的。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，組合成調(diào)速閥；另一種是將穩(wěn)壓溢流閥并聯(lián)起來，組成溢流節(jié)流閥。液壓泵輸出的液壓油全部經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸。軸向三角槽式節(jié)流口，其結(jié)構(gòu)簡單，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)流通道有一定長度，油溫變化對流量有一定影響，目前被廣泛應(yīng)用。 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。： 節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油井測試、固井等高壓管路中，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥桿來改變節(jié)流孔面積，以達(dá)到調(diào)節(jié)管路壓力和流量的目的。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液壓執(zhí)行元件的安全。在主閥閥芯的性狀不同、邊界條件相同和節(jié)流口開口寬度不同、邊界條件相同時對流場進(jìn)行模擬，找出影響閥芯壓力和速度分布的因素。 本文按照實際使用中的節(jié)流閥的參數(shù)，采用Solid Works軟件，建立了閥的三維幾何模型。自帕斯卡定理發(fā)明幾百年來，由于液壓具有防銹，潤滑性好，粘度大的優(yōu)點，得以廣泛的應(yīng)用。：圖11單向節(jié)流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，濕周大，易堵塞，流量受油溫影響較大。節(jié)流閥和溢流閥相當(dāng)于兩個并聯(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大小來決定。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)流閥開口量不變時，由于閥前后壓力差的變化，引起通過節(jié)流閥的流量發(fā)生變化的情況。經(jīng)歷了定性和定量研究階段。目前，研究人員用湍流模型對液壓閥口高速流場的速度和壓力分布進(jìn)行了仿真，結(jié)果得到了實驗的驗證。 Shigeru OSHIMA。使用STRACD流場仿真軟件進(jìn)行了兩相流動的仿真。 北京化工大學(xué)的沈晶，闡述了水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過對閥芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)減小水錘對液壓閥壽命的影響。因此，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對以上技術(shù)問題進(jìn)行了研究和攻克。近年來隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體動力學(xué)理論的發(fā)展，應(yīng)用CFD方法，對液壓閥內(nèi)部的流場進(jìn)行仿真計算和可視化分析，成為液壓技術(shù)領(lǐng)域新的研究熱點，研究工作對閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和流道的優(yōu)化沒計具有重要的實際意義。本論文主要研究高水基節(jié)流閥的流場特性。 Gambit 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。第二章 單向節(jié)流閥的設(shè)計:單向節(jié)流閥根據(jù)油液流動方向的不同，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。對于中間主閥口、節(jié)流閥口及主閥導(dǎo)向面處，腐蝕與磨損同時存在，兩者相互促進(jìn)，將使零件加速失效。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。 解決措施及設(shè)計針對單向節(jié)流閥的上述關(guān)鍵技術(shù)難題，設(shè)計了下面的解決方法。較典型的例子是日本設(shè)計的兩級：平板式節(jié)流閥口的形式和芬蘭采用的兩級錐閥式節(jié)流閥口(如圖21)。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，氣穴發(fā)生在閥口處，反之，則發(fā)生在閥口下游。值得指出的是,主閥心與主閥套間若泄漏過大,則節(jié)流閥對主閥的控制作用減弱,將使閥的靜態(tài)性能大大降低。(5) 主閥導(dǎo)向面處泄漏過大，節(jié)流閥口節(jié)流不足，使節(jié)流閥閥芯發(fā)生振蕩。 Solid Works軟件基本內(nèi)容：（1）Solid Works 模型由零件、裝配體和工程圖組成。 （8）Solid Works 應(yīng)用程序可以為您保存工作。系統(tǒng)的所有參數(shù)設(shè)置全部集中在一個選項（option）中，容易查找和設(shè)置。（4）獨特的配置功能 Solid Works允許建立一個零件而有幾個不同的配置（Configuration），這對于通用件或形狀相似零件的設(shè)計，可大大節(jié)約時間。由于本文主要是對單向節(jié)流閥的內(nèi)部流場進(jìn)行分析和優(yōu)化，所以就必須對節(jié)流閥內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行相對的優(yōu)化，以便于更好地利用邊界條件和閥內(nèi)部的簡化結(jié)構(gòu)，從而更好、更合理地對單向節(jié)流閥進(jìn)行內(nèi)部流場分析。這樣的方法稱為計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)，簡稱CFD，也稱流場的數(shù)值模擬，數(shù)值計算，數(shù)值仿真。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。計算流體動力學(xué)是與流體有關(guān)的動力系統(tǒng)設(shè)計的重要工具。比如在液壓技術(shù)的流道流場中，通過對液壓元件的壓力分布，流線走向，以及對紊流模型中流場內(nèi)部中漩渦、氣穴部位等的研究，可對流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改造。這是整個工作中花時間最多的部分。 (2) Fluent —進(jìn)行模擬計算的求解器。對于給定的精度，自適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格細(xì)化方法變得很簡單，并且減少了計算量，可以根據(jù)自己的需要，比如幾何模型的特征或流場解析結(jié)果局部細(xì)化網(wǎng)格。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)置無因次系數(shù)的參考值以及計算投影表面積。⑹ 導(dǎo)熱和對流熱耦合問題。數(shù)值計算方法是計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)。從未知解的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。有限體積法的基本思想易于理解，首先將計算區(qū)域劃分為許多區(qū)域，即控制單元。有限體積法得到的離散方程中，因變量的積分守恒對任意一組控制體積都能得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然滿足，即使在粗網(wǎng)格的情況下，也是積分守恒的。第二步是將求解的每個微商項都用相應(yīng)的差商代替，寫出微分方程在每一個網(wǎng)格節(jié)點處對應(yīng)的差分方程，將微分方程式化為代數(shù)方程式。它是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法。因此解題關(guān)鍵是如何選擇合適的單元形狀及插值函數(shù)。這樣，邊界條件一般不進(jìn)入單元的有限元特征式，使得每個單元的有限元方程式或稱特征式都具有相同的形式，便于計算機(jī)進(jìn)行處理，易于編程。并將該網(wǎng)格劃分文件用Mesh格式進(jìn)行保存，以便接下來的流體分析。在用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格的劃分的時候，模型本身的節(jié)點的個數(shù)比較多，類型也比較復(fù)雜，導(dǎo)致模型中各個面的節(jié)點的類型不相同，使得在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格是不能生成的，所用的Elements是Tet/Hybrid,類型是TGrid。下圖為節(jié)流口開口寬度為4mm時的出油口油液速度矢量圖：圖48 節(jié)流口開口寬度為4mm時出油口油液速度矢量圖 如上圖示，節(jié)流閥出流口處油液速度分布很不均勻，且從里及外有逐步增大的趨勢，這是由于單向節(jié)流閥打開一定的開口寬度時，改變了油液流動的速度和方向，使得油液進(jìn)入節(jié)流閥后，沿閥芯方向逐漸改變液流的流動狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)流的目的。 2. 通過模型模擬得到如下結(jié)論:得到了壓力和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，通過仿真發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)出現(xiàn)了壓力變化，單向節(jié)流閥內(nèi)部速度變化，截面面積變化越大，壓力變化越大。液體經(jīng)過節(jié)流口后，發(fā)生氣穴現(xiàn)象的可能性是與壓力變化的大小成正比的，壓力變化越大，發(fā)生氣穴現(xiàn)象的可能性隨之增加。201207[21] S BERNAD, R SUSANRESIGA, I ANTON etc. vortex flow modeling inside the poppet valve chamber, 161一176[22] Priyatosh Barman, Computational Fluid Dynamics (CFD) Analysis to Predict and Control the Cavitation Erosion in a Hydraulic Control Valve, SAE 2002 World Congress, Detroit, Michigan, USA, 15[23] , Three decades of acplishments in putational fluid dynamics,Progress in Aerospace Sciences，2004,40，173197[24] 王國志，王艷珍，鄧斌等，水壓滑閥流動特性可視化分析，機(jī)床與液壓，2003 (1),9596[25] 高殿榮，趙永凱，王益群，液壓系統(tǒng)復(fù)雜流道流場的有限元研究，機(jī)床與液壓，1998 (4)，1618[26] 王林翔，趙長春，陳鷹等，滑閥閥道內(nèi)流體流動的數(shù)值研究，機(jī)床與液壓，1998(4)，1012[27] 黃克智，薛明得，:清華大學(xué)出版社，2003[28] 冀宏，液壓閥芯節(jié)流槽氣穴噪聲特性的研究，浙江大學(xué)博士論文，2004[29] 王芳，基于CFD的高水基先導(dǎo)閥流場的數(shù)值模擬，太原理工大學(xué)碩士論文，2005[30] 張方瑞，Solid 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Fluent軟件分析內(nèi)部流道壓力沿程分布圖從上圖42可以看出，進(jìn)流口位置顏色呈現(xiàn)橙色，++06Pa之間，表示壓力變化不大。當(dāng)微分方程的解足夠光滑時，譜方法給出的近似解將以很高的精度逼近微分方程的準(zhǔn)確解，且收斂速度快。參考直接解法的逼近方式，在單元內(nèi)用一個比較簡單的解析函數(shù)來逼近微分方程的解。有限差分法一般適用于比較規(guī)則的計算區(qū)域，對于具有復(fù)雜邊界的問題，處理起來比較困難，并且它用的是“點”近似，只考慮差分網(wǎng)格上的函數(shù)值，而不管結(jié)點附近函數(shù)的變化。采用有限差分法求解微分方程所得的數(shù)值解是定解域內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)值離散解。② 選定未知函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)對時間及空間的局部分布曲線(稱為型線或插值方法)。其中的未知數(shù)就足網(wǎng)格點上的因變量。 根據(jù)定義變量的位置不同，有限體積法一股采用兩種方法: ① 單元中心型有限體積法。⑴ 有限體積法： 有限體積法由McDbnald在1971年首次用于求解二維歐拉方程，1972年被Patankar等用于SIMPLE算法，計算恒定不可壓流。⑻ 兩相流問題。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。對每一種物理問題的流動才李點有適合它的數(shù)值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，使計算也度、不急定性和精度等方而達(dá)到最佳。 (4) TGrid —用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 以上這些步驟構(gòu)成了CFD數(shù)值模擬的全過程。 采用CFD的方法對流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬，通常包括以下步驟: (1) 建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型 具體地說就是要建立反映問題各個量之間關(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。計算流體動力學(xué)與液壓閥等基本理論的結(jié)合，比采用試驗可視化方法更容易、直接，而且可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)開支。要把這些積分或者微分項用離散的代數(shù)形式代替，必須把時空變量和物理變量離散化。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)自20世紀(jì)60年代中已形成一個獨立的學(xué)科分支，成為研究流體運動規(guī)律，解決很多工程實際問題的三大手段之一。3. 2 .2