【正文】 在此，我謹(jǐn)向傾注了大量心血的恩師及機(jī)電學(xué)院其他給予我關(guān)懷的各位老師表示深深的敬意和最真誠(chéng)的祝福！祝福他們身體健康，工作順心，萬(wàn)事如意！同時(shí)也真誠(chéng)地感謝我的同學(xué)，是他們和我一起努力，我才能順利地將畢業(yè)設(shè)計(jì)完成。黃老師追求真理、嚴(yán)于律己、寬以待人的高尚品質(zhì)對(duì)我將是永遠(yuǎn)的鞭策。他淵博的學(xué)識(shí)、敏銳的思維、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、孜孜不倦的敬業(yè)精神和為人師表的高尚風(fēng)范以及寬廣坦蕩的胸懷，使我受益匪淺?？偨Y(jié)整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，和指導(dǎo)老師黃磊的精心指導(dǎo)和耐心幫助是不可分割的。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(guó)志，王艷珍，鄧斌等，水壓滑閥流動(dòng)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(chǎng)的有限元研究，機(jī)床與液壓，1998 (4)，1618[26] 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由于時(shí)間緊迫，本文對(duì)節(jié)流閥流場(chǎng)進(jìn)行的仿真，是在一定的條件下進(jìn)行的不能完全的貼近實(shí)際情況，真實(shí)的情況還有待進(jìn)一步深入研究。液體經(jīng)過(guò)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。 3. 通過(guò)對(duì)節(jié)流閥模擬得到如下結(jié)論: 它們的仿真結(jié)果在上面圖中已經(jīng)顯示出，邊界條件相同，阻尼孔越小的時(shí)候，節(jié)流口兩端的壓力變化越大。如果采用減小閥芯直徑來(lái)降低氣穴會(huì)使負(fù)壓區(qū)的而積增大。為了防止產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，對(duì)閥的流道進(jìn)行改進(jìn)，把面積突邊改為平滑過(guò)渡，降低漩渦的影響。 2. 通過(guò)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(guò)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。第五章 總結(jié)與展望本文采用CFD流體動(dòng)力學(xué)分析軟件FLUENT，結(jié)合三維建模軟件SOLID WORKS，建立了單向節(jié)流閥的三維流道實(shí)體模型，并分別對(duì)主流道和節(jié)流閥芯調(diào)節(jié)節(jié)流口開(kāi)口寬度為4mm時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬。這也說(shuō)明了此次分析的可行性和正確性。但從圖上可以簡(jiǎn)單判斷出，其理論運(yùn)算壓力與實(shí)際流場(chǎng)分析壓力吻合度較高。下圖為節(jié)流口開(kāi)口寬度為4mm時(shí)的出油口油液速度矢量圖：圖48 節(jié)流口開(kāi)口寬度為4mm時(shí)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(shì)，這是由于單向節(jié)流閥打開(kāi)一定的開(kāi)口寬度時(shí)，改變了油液流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)流的目的。下圖為節(jié)流口開(kāi)口寬度為4mm時(shí)的整體速度矢量圖： 圖46 節(jié)流口開(kāi)口寬度為4mm時(shí)整體速度矢量圖從上圖可以看出，單向節(jié)流閥的進(jìn)、出油口的速度最大，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)節(jié)流口位置時(shí)，速度明顯降低，分布不太均勻，并且速度沿節(jié)流閥閥芯表面逐漸降低，油液進(jìn)入出油口型腔部分時(shí)，速度降到很低，并且在出油口位置流體速度矢量分布不均勻，油液流出速度矢量方向雜亂無(wú)章。 導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行分析，其整體壓力的沿程分布如下圖45示：圖45 節(jié)流口開(kāi)口寬度為4mm時(shí)的整體壓力沿程分布圖由上圖可以看出，模型的進(jìn)油口處壓力最大，但流體經(jīng)過(guò)節(jié)流口時(shí)壓力變化較大，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)節(jié)流口并流向出流口的過(guò)程中，壓力明顯變小。并將該網(wǎng)格劃分文件用Mesh格式進(jìn)行保存，以便接下來(lái)的流體分析。在用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格的劃分的時(shí)候，模型本身的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)比較多，類型也比較復(fù)雜，導(dǎo)致模型中各個(gè)面的節(jié)點(diǎn)的類型不相同，使得在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)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。4. 4. 2 單向節(jié)流閥節(jié)流口開(kāi)口寬度為4mm時(shí)的流道分析網(wǎng)格劃分采用單向節(jié)流閥的簡(jiǎn)化模型，假設(shè)它是不可壓縮流體，即粘性牛頓流體。下圖為經(jīng)過(guò)200次迭代運(yùn)算后的壓力誤差分析圖：圖43 內(nèi)部主流道迭代運(yùn)算壓力誤差分析圖從上圖可以看出，節(jié)流閥內(nèi)部流道壓差分析圖線走勢(shì)良好，且整體誤差在向1e03Pa靠近，并趨于穩(wěn)定。導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行分析，其整體壓力的沿程分布如下圖42示：圖42 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。并將該網(wǎng)格劃分文件用Mesh格式進(jìn)行保存，以便接下來(lái)的流體分析。在用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格的劃分的時(shí)候，模型本身的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)比較多，類型也比較復(fù)雜，導(dǎo)致模型中各個(gè)面的節(jié)點(diǎn)的類型不相同，使得在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)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Tet/Hybrid。 模型的仿真下圖為單向節(jié)流閥主流道模型的網(wǎng)格劃分：圖41 單向節(jié)流閥內(nèi)部主流道模型網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分采用單向節(jié)流閥的簡(jiǎn)化模型，假設(shè)它是不可壓縮流體，即粘性牛頓流體。當(dāng)微分方程的解足夠光滑時(shí)，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。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(gè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，易于編程。這就把微分方程的定解問(wèn)題化為求解代數(shù)方程組的問(wèn)題，求解這一代數(shù)方程組便可求得節(jié)點(diǎn)參數(shù)值。這樣，每個(gè)單元只要有適當(dāng)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)參數(shù)值，就可滿足對(duì)插值函數(shù)的光滑性和精度的要求。參考直接解法的逼近方式，在單元內(nèi)用一個(gè)比較簡(jiǎn)單的解析函數(shù)來(lái)逼近微分方程的解。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)。分塊逼近是有限元的核心，它包含兩方面的內(nèi)容:分塊就是將求解區(qū)域剖分成若干子區(qū)域，即單元。有限元法是將一個(gè)連續(xù)的求解域任意分成適當(dāng)形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構(gòu)造差值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理(變分或加權(quán)余量法)，將問(wèn)題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元的極值之和，即將局部單元總體合成，形成嵌入了指定邊界條件的代數(shù)方程組，求解該方程組就得到各節(jié)點(diǎn)上待求的函數(shù)值。有限差分法一般適用于比較規(guī)則的計(jì)算區(qū)域，對(duì)于具有復(fù)雜邊界的問(wèn)題，處理起來(lái)比較困難，并且它用的是“點(diǎn)”近似，只考慮差分網(wǎng)格上的函數(shù)值，而不管結(jié)點(diǎn)附近函數(shù)的變化。它是一種直接將微分問(wèn)題變?yōu)榇鷶?shù)問(wèn)題的近似數(shù)值解法。有高斯消去法、追趕法、迭代法等。所構(gòu)成的差分格式必須是相容的和穩(wěn)定的。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(diǎn)上的數(shù)值離散解。第二步是將求解的每個(gè)微商項(xiàng)都用相應(yīng)的差商代替，寫出微分方程在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的差分方程，將微分方程式化為代數(shù)方程式。有限體積法是對(duì)方程的積分形式進(jìn)行離散，它既可以像有限元法那樣方便地應(yīng)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，又可以像有限差分法那樣方便地確定離散的流場(chǎng)。⑵ 有限差分法：有限差分法通常采用截?cái)嗟腡aylor級(jí)數(shù)來(lái)近似微分方程，是導(dǎo)數(shù)定義的直接應(yīng)用。② 選定未知函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)對(duì)時(shí)間及空間的局部分布曲線(稱為型線或插值方法)。有限體積法得到的離散方程中，因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都能得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)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。與差分法的區(qū)別是有限差分法直接通過(guò)對(duì)離散點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)進(jìn)行差分近似來(lái)離散。將其代入微分方程可得到離散的代數(shù)方程，其中的未知數(shù)就是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。其中的未知數(shù)就足網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量。有限體積法的基本思想易于理解，首先將計(jì)算區(qū)域劃分為許多區(qū)域，即控制單元。此時(shí)變量定義在網(wǎng)格點(diǎn)上即單元頂點(diǎn)上。網(wǎng)格單元與控制體重合。 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。從未知解的近似方法看來(lái)，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。 有限體積法直接在物理空間對(duì)守恒律的積分公式進(jìn)行離散，可保證離散方程質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒，適用于任意形狀非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)給定網(wǎng)格點(diǎn)，其控制體的形狀和位置以及控制面上的通量計(jì)算方法有很多種。1977年Jamson開(kāi)始應(yīng)用于氣流計(jì)算。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(jì)算恒定不可壓流。數(shù)值計(jì)算方法是計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)。 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)。⑽ 慣性坐標(biāo)和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題模擬。⑻ 兩相流問(wèn)題。⑹ 導(dǎo)熱和對(duì)流熱耦合問(wèn)題。⑷ 牛頓及非牛頓流體。⑵ 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)。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。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。Fluent提供了許多計(jì)算和報(bào)告表面和邊界積分值的工具。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。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。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。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。 通常使用Gambit專用前處理器進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。 (4) TGrid —用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 (2) Fluent —進(jìn)行模擬計(jì)算的求解器。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。本課題選用CFD軟件Fluent進(jìn)行流場(chǎng)的仿真分析。 以上這些步驟構(gòu)成了CFD數(shù)值模擬的全過(guò)程。這是整個(gè)工作中花時(shí)間最多的部分。這些內(nèi)容是CFD的核心。 (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。 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)。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?？傊?，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。相對(duì)于試驗(yàn)階段更省時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益更好。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。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。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。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。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。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。 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。