【正文】 它為流體力學(xué)的發(fā)展掀開了新的一頁，成為當(dāng)今最活躍的研究領(lǐng)域之一。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)際問題的三大手段之一。這樣的方法稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)，簡稱CFD，也稱流場的數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算，數(shù)值仿真。這些基本定律可以通過積分或者微分的形式來描述。在建模過程中，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)行簡化后，才可能更精確地對其內(nèi)部流場進(jìn)行分析。3. 2 .2 單向節(jié)流閥的內(nèi)部空型腔實(shí)體建模下圖為簡化后的單向節(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 單向節(jié)流閥內(nèi)部閥芯簡化實(shí)體建模下圖為簡化后的單向節(jié)流閥內(nèi)部閥芯模型圖33 單向節(jié)流閥內(nèi)部閥芯簡化模型效果圖 本章小結(jié) 本章主要是利用三維軟件對單向節(jié)流閥的內(nèi)部型腔和內(nèi)部閥芯進(jìn)行實(shí)體建模。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。本篇論文的重點(diǎn)是從流道流場進(jìn)行分析研究，進(jìn)而優(yōu)化得到更合理的內(nèi)部流場流道。（8）曲面設(shè)計(jì)工具 用Solid Works，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。（6）自上而下的裝配體設(shè)計(jì)技術(shù)（toptodown） 　　目前只有Solid Works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。（4）獨(dú)特的配置功能 Solid Works允許建立一個(gè)零件而有幾個(gè)不同的配置（Configuration），這對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。（3） 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口豐富，轉(zhuǎn)換成功率高　　Solid Works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、Para solid等，且與CATIA、Pro/Engineer、UG、MDT、Inventor等設(shè)有專用接口。實(shí)體的建模和裝配完全符合自然的三維世界。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。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。（2）菜單少，使用直觀、簡單，界面友好。指定信息自動(dòng)保存前應(yīng)發(fā)生的變更次數(shù)。如要設(shè)定此選項(xiàng)，請單擊工具、選項(xiàng)。 （8）Solid Works 應(yīng)用程序可以為您保存工作。 （6） Solid Works 應(yīng)用程序允許您自定義功能以滿足需要。 （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。（您還可以從輸入的曲面或幾何實(shí)體開始。 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。第三章 單向節(jié)流閥的建模 Solid works簡介Solid Works 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 Microsoft Windows 圖形用戶界面。 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)化而得到的簡化模型圖：圖24 單向節(jié)流閥的內(nèi)部流道簡化模型圖 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。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)置了阻尼開口寬度。(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。(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。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：① 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；② 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。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。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。鑒于奧氏體不銹鋼不能通過熱處理提高硬度，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。圖23 兩級節(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。③ 主閥口采用階梯狀兩級節(jié)流口結(jié)構(gòu)(如圖22)。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。② 主閥的錐角較小，并且閥芯錐角大于閥座錐角。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)：① 主閥芯采用帶圓弧的平端錐閥結(jié)構(gòu)。為了防止空穴現(xiàn)象的發(fā)生，就是要防止液壓系統(tǒng)中的壓力過度降低。較典型的例子是日本設(shè)計(jì)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)。這種方法的實(shí)際應(yīng)用就是把單節(jié)流閥口設(shè)計(jì)成兩級節(jié)流閥口的形式，則每級閥口的氣蝕系數(shù)分別 （22） （23）式中，為兩節(jié)流閥口間的壓力。為減小氣穴的發(fā)生及其危害，應(yīng)盡量使 δ小。δ越大，氣穴現(xiàn)象越嚴(yán)重。 解決措施及設(shè)計(jì)針對單向節(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。噪聲會(huì)給工作環(huán)境帶來噪聲污染；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，反過來又加劇了振動(dòng)和噪聲。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。3. 拉絲侵蝕和泄漏問題在單向節(jié)流閥中，高速流體會(huì)對配合面產(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。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。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。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。 2. 氣蝕問題 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。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(shí)存在，兩者相互促進(jìn)，將使零件加速失效。油液從通口Pj2流到通口Pj1的過程中，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。此時(shí)，油液經(jīng)過閥芯上的三角槽和孔道，從通道口Pj1流出。油液從通口Pj1流到通口Pj2的過程中，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。第二章 單向節(jié)流閥的設(shè)計(jì):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。本章對節(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發(fā)和應(yīng)用，對單向節(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。 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；單向節(jié)流閥的流道分析；流道流場模擬分析；單向節(jié)流閥的三維建模圖；畢業(yè)論文一篇。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。 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。SolidWorks 確定參數(shù)特征，即具體尺寸。對液壓元件內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，本課題中使用CFD軟件來進(jìn)行仿真研究。這對于降低實(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題等都有一定的指導(dǎo)意義。本論文主要研究高水基節(jié)流閥的流場特性。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)，對穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也提出了很多有效的補(bǔ)償措施。采用各種流場數(shù)值計(jì)算方法，對閥的流道內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來準(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)閥的過流結(jié)構(gòu)，對進(jìn)行閥的液動(dòng)力的補(bǔ)償提供理論依據(jù)。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。近年來隨著計(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，對液壓閥內(nèi)部的流場進(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)，研究工作對閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和流道的優(yōu)化沒計(jì)具有重要的實(shí)際意義。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。 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。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)相繼問世，給現(xiàn)代的工業(yè)發(fā)展提供了更好的動(dòng)力。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。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液壓控制元件的理論分析與研究。在FLUENT軟件中對兩種模型的流場進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。 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。 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。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，并對液壓集成塊內(nèi)部的復(fù)雜流道、滑閥和錐閥流場進(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，并對其進(jìn)行無量綱化。通過數(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。這對優(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。使用STRACD流場仿真軟件進(jìn)行了兩相流動(dòng)的仿真。 Priyatosh Barman對三維的滑閥模型進(jìn)行了仿真研究。 Yoshinari NAKAMURA等通過實(shí)驗(yàn)的方法對錐閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳盡的研究。 , Milani文中使用CFD軟件FIDAP7. , , , 、速度分布圖和流量、壓力與壓差的曲線圖。 Shigeru OSHIMA。此項(xiàng)研究對節(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。因此在實(shí)際運(yùn)用的液壓閥中，可通過檢測閥內(nèi)流體壓力的方法預(yù)測氣穴可能發(fā)生的區(qū)域。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。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(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。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，目前對以油為介質(zhì)的液壓元件及系統(tǒng)中的流場及氣穴現(xiàn)象的深入研究還很少。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。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。經(jīng)歷了定性和定量研究階段。 單向節(jié)流閥的歷史研究成果及應(yīng)用對單向節(jié)流閥的研究內(nèi)容，主要包括理論研究，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)字仿真。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，通過閥芯的負(fù)反饋動(dòng)作，來自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流部分的壓力差，使其保持不變。普通節(jié)流閥由于剛性差，在節(jié)流開口一定的條件下通過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(shí)，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。所以，節(jié)流元件用來調(diào)節(jié)流量是有條件的，即要求有一個(gè)接受節(jié)流元件壓力信號的環(huán)節(jié)（與之并聯(lián)的溢流閥或恒壓變量泵）。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。因此可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的液阻，來改變進(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。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大小來決定。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)即可改變開口的大小。周向縫隙式節(jié)流口，沿閥芯周向開有一條寬度不等的狹槽，轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯就可以控制開口的大小。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