节流阀内部流场数值模拟分析设计.docx

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节流阀内部流场数值模拟分析设计

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安徽建筑工业学院

毕业设计（论文）

专业机械设计制造及其自动化

学生龙五

课题节流阀内部流场数值模拟分析

2010年5月28日

摘要

单向节流阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件，节流阀内部的流场特性直接影响节流阀的性能。

本文结合计算流体动力学CFD（ComputationalFluidDynamics）软件FLUENT对节流阀的内部流场进行了数值模拟与分析计算。

本文按照实际使用中的节流阀的参数，采用SolidWorks软件，建立了阀的三维几何模型。

运用FLUENT前处理软件GAMBIT了网格的划分。

在FLUENT软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟。

在主阀阀芯的性状不同、边界条件相同和节流口开口宽度不同、边界条件相同时对流场进行模拟，找出影响阀芯压力和速度分布的因素。

在对主阀口进行模拟时，分别对比不同开口宽度时的沿程压力分布情况，进而选择出最适合此处的主阀阀芯性状和开口宽度。

对阻尼小孔进行数值模拟时，重点考虑节流阀开口处两端的压力差，找到两端压力差小的阻尼孔直径数值。

关键词:

单向节流阀，内部流场，数值模拟

ABSTRACT

UnidirectionalThrottleValveisafluidtransmissionandcontroltechnologybasedonthemostimportantcomponents,valvereliefvalvewithintheflowfieldcharacteristicsofadirectimpactontheperformanceofvalves.Inthispaper,computationalfluiddynamicsCFD（ComputationalFluidDynamics）softwareFLUENTforPilot-operatedreliefvalveoftheflowfieldcalculationandanalysisofnumericalsimulation.

Inthispaper,accordingtotheactualuseofthePilot-operatedreliefvalveoftheparameters,theuseofSolidWorkssoftware,theestablishmentofaPilot-operatedreliefvalveofthethree-dimensionalgeometricmodel.FLUENTsoftware,theuseofpre-treatmentworksGAMBITdivisionofthegrid.FLUENTsoftwareintwomodelsoftheflowfieldofthenumericalsimulationofsteady-state.

Spoolvalveinthemaintraitsofthedifferentboundaryconditionsanddampingthesamespoolfactors.Mainvalveportinthesimulation,themainvalve,respectively,comparedtothestructureofsphericalconevalveconepeacefulsideofthevalvestructureofthedistributionofpressurealongtheway,andthenselectthemostappropriatevalvespool.Dampingthenumericalsimulation,thefocusonsmalldampingofthepressuredifferenceatbothendstofindthepressuredifferenceatbothendsofthesmalldiameterofthedampingvalue.

KEYWORDS:

UnidirectionalThrottleValve,theflowfield,numericalsimulation

目录Ⅲ

1.2节流阀的用途2

1.3单向节流阀3

1.3.1节流口堵塞原因4

1.3.2减轻节流口堵塞的措施4

1.3.3单向流阀的特点4

1.4节流阀的历史研究成果6

1.5国内外利用CFD软件对液压阀的研究状况7

1.6单向节流阀的未来发展8

1.7选题的目的和意义9

1.8本文的研究内容10

1.9本章小结11

第二章单向节流阀的设计12

第三章单向节流阀的建模18

3.2单向节流阀流道建模20

3.2.1单向节流阀的内部型腔流道模型20

3.2.2单向节流阀内部阀芯简化实体模型21

3.3本章小结21

第四章单向节流阀的模拟仿真22

4.1计算流体力学的特点22

4.2Fluent软件简介23

4.4.2单向节流阀节流口开口宽度为4mm时的流道分析31

第一章绪论

1.1引言：

社会的发展，要求人类赖以生存的环境是一个安全、无污染、高度文明的、美好的环境。

因此要求科学技术向安全化、生态化、艺术化、环境系统优化的目标发展。

自帕斯卡定理发明几百年来，由于液压具有防锈，润滑性好，粘度大的优点，得以广泛的应用。

人类利用矿物油作为液压系统的工作介质，创造了一代又一代的由液压油传动与控制的各类主机系统，为社会生产力的发展做出了巨大的贡献。

但是，液压系统的安全问题也随之凸显出来。

液压系统中节流阀是重要的液压元件，它能调节液压系统的工作流量并保证整个液压执行元件的安全。

由于在实际工作中，泵提供的流量往往要大于工作流量，对有节流阀的系统来说，节流阀就必须控制流入或流场执行元件的流量从而控制元件的速度，由于节流口而造成较大的压力损失。

本课题就是从改善和优化节流阀的内部流道着手，通过流场数值分析手段，降低液压系统的局部压力损失，进而得到更合理的内部流道。

本课题目的是利用所学的流体力学、液压和控制知识为优化节流阀内部流场做理论研究。

本设计的主要内容分为：

原理部分、三维实体建模部分及流场分析部分。

1.2节流阀的用途：

图1-1单向节流阀

  节流阀是重要的液压元件，其主要是用来改变相关阀口的流通面积，从而调节液压系统的工作流量并保证整个液压执行元件的安全。

节流阀主要用于油田钻井、油井测试、固井等高压管路中，通过调节节流阀阀杆来改变节流孔面积，以达到调节管路压力和流量的目的。

1.对节流阀的性能要求：

流量调节范围大，流量一一压差变化平滑；

内泄露量小，若有外泄露油口，外泄露量也要小；

调节力矩小，动作敏捷。

2.节流阀的分类及工作原理

节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀。

将节流阀和单向阀并联则可组成单向节流阀。

节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀。

在定量泵液压系统中，节流阀和溢流阀配合，可组成三种节流调速系统，即进油路节流调速系统、回油路节流调速系统和旁路节流调速系统。

节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由于负载变化所造成的速度不稳定，一般仅仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。

按照其功用，具有节流功能的阀有节流阀、单向节流阀、精密节流阀、节流截止阀和单向节流截止阀等；按节流口的结构形式，节流阀有针式、沉割槽式、偏心槽式、锥阀式、三角槽式、薄刃式等多种；按其调节功能，又可将节流阀分为简式和可调式两种。

1.3单向节流阀：

   单向节流阀根据油液流动方向的不同，既可以作为单向阀使用，又可以做节流阀使用，其主要有调节杆、止推、阀体、阀芯和弹簧组成，节流道呈轴向三角槽式。

但有些时候，为了节流阀内部流场分析的必要，可以将其内部节流口及节流流道进行简化简化建模，以便于分析计算。

1.3.1节流口堵塞原因

（1）油液中的机械杂质或因氧化析出的胶质、沥青、碳渣等污染物等堆积在节流缝隙处；

（2）由于油液老化或受到挤压后产生带电的极化分子，而节流缝隙的金属表面上存在电位差，故极化分子被吸附到缝隙表面，形成牢固的边界吸附层，吸附层厚度一般为5-8微米，因而影响了节流缝隙的大小。

以上堆积、吸附物堆积到一定厚度时，会被液流冲刷掉，随后又重新吸附到阀口上。

这样周而复始，就形成了流量的脉动；

（3）阀口压力差较大时，因阀口温度高，液体受挤压的程度增强，金属表面也更容易收摩擦作用而形成电位差，因此压差大时容易产生堵塞现象。

1.3.2减轻节流口堵塞的措施

（1）选择水力半径大的薄刃节流口；

（2）精密过滤并定期更换油液；

（3）适当减小节流口前后的压力差；

采用电位差较小的金属材料，选用抗氧化稳定性较好的油液，减小节流口表面粗糙度。

1.3.3单向节流阀的特点

（1）构造比较简单，便于制造和维修，成本低；

（2）调节精度不高，不能作调节使用；

（3）密封面易冲蚀，不能作切断介质用；

（4）密封性较差。

节流阀按通道方式可分为直通式和角式两种；按启闭件的形状分，有针形、沟形和窗形三种。

节流阀的安装与维护应注意以下事项：

该阀经常需要操作，因此应该安装在易于方便面操作的位置上；

安装时要注意介质方向与阀体所标箭头方向保持一致。

为了保证流量稳定、节流口的形式易薄壁小孔较为理想。

以下为几种常用的节流口的形式：

针阀式节流口，它通道长，湿周大，易堵塞，流量受油温影响较大。

一般用于对性能要求不高的场合。

偏心槽式节流口，其性能与针式节流口相同，但容易制造，其缺点是阀芯上的径向力不平衡，旋转阀芯时较为费劲，一般用于压力较低、流量较大和流量稳定性要求不高的场合。

轴向三角槽式节流口，其结构简单，水力直径中等，可得到较小的稳定流量，且调节范围较大，但节流通道有一定长度，油温变化对流量有一定影响，目前被广泛应用。

周向缝隙式节流口，沿阀芯周向开有一条宽度不等的狭槽，转动阀芯就可以控制开口的大小。

阀口做成薄刃形，通道短，水力直径大，不易堵塞，油温对流量影响小，因此其性能接近于薄壁小孔，适用于低压小流量的场合。

轴向缝隙式节流口，在阀孔的衬套上加工出图示薄壁阀口，阀芯作轴向移动即可改变开口的大小。

在液压传动系统中，节流元件与溢流阀并联于液压泵的出口，构成恒压油源，使得泵出口的压力恒定。

节流阀和溢流阀相当于两个并联的液阻，液压泵输出流量不变，流经节流阀进入液压缸的流量和流经溢流阀的流量的大小，由节流阀和溢流阀的液阻相对大小来决定。

节流阀式一种可以在较大范围内以改变液阻来调节流量的元件。

因此可以通过调节节流阀的液阻，来改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度；但若在回路中仅有节流阀而没有溢流阀与之并联的话，则节流阀就起不到调节流量的作用。

液压泵输出的液压油全部经节流阀进入液压缸。

改变节流阀节流口的大小，只是改变液流流经节流阀的压力降。

节流口小，流速快；节流口大，流速慢，而总的流量是不变的，因此液压缸的运动速度不变。

所以，节流元件用来调节流量是有条件的，即要求有一个接受节流元件压力信号的环节（与之并联的溢流阀或恒压变量泵）。

通过这一环节来补偿节流元件的流量变化。

节流阀的刚性表示它抵抗负载变化的干扰，保持流量稳定的能力，即当节流阀开口量不变时，由于阀前后压力差的变化，引起通过节流阀的流量发生变化的情况。

流量变化越大，节流阀的刚性越大；反之，其刚性越小。

1.3.4节流阀的压力和温度补偿

普通节流阀由于刚性差，在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载（亦即其出口压力）变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，因此只适用于工作负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合，由于负载的变化很难避免，为了改善调速系统的性能，通常是对节流阀进行压力补偿，即采取措施使节流阀前后压力差在负载变化时始终保持不变。

节流阀的压力补偿有两种方式：

一种是将定差减压阀与节流阀串联起来，组合成调速阀；另一种是将稳压溢流阀并联起来，组成溢流节流阀。

这两种压力补偿方式是利用流量变动所引起油路压力的变化，通过阀芯的负反馈动作，来自动调节节流部分的压力差，使其保持不变。

液压传动系统对节流阀的主要要求有：

1）有较大的流量调节范围，且流量调节要均匀；2）当阀前、后压力差发生变化时，通过阀的流量变化要小，一保证负载运动的稳定；3）油温变化对通过阀的流量影响要小；4）油液通过安全阀时的压力损失要小；5）当阀口关闭时阀的泄露量要小。

1.4单向节流阀的历史研究成果及应用

对单向节流阀的研究内容，主要包括理论研究，实验研究和数字仿真。

国内外从六十年代初开始对单向节流阀进行研究。

经历了定性和定量研究阶段。

单向节流阀广泛应用于液压控制系统的调速和延时回路中，其既可以作为单向阀使用，又可以作节流阀使用。

稳态液动力是影响单向节流阀性能的关键因素之一，不仅决定换向阻力，同时也影响单向节流阀的精确控制。

节流阀主要用于油田钻井、油田测试、固井等高压管路中，通过调节节流阀阀杆来改变节流孔面积，以达到调节管路中压力和流量的目的。

因此，它的性能好坏直接影响到油田节流作业时的人身安全和工作效率。

研究成果对高压节流阀的失效进行了分析，指出了单向节流阀的各种失效形式，并随着CADCAE技术的发展，尤其是计算流体动力学技术的发展，对节流阀进行流场数值模拟成了目前对节流阀进行优化设计的重要手段。

节流部位出现的气穴是液压控制元件中最重要的噪声源头，目前对以油为介质的液压元件及系统中的流场及气穴现象的深入研究还很少。

液压元件内流道形体复杂、尺寸小、压差大、阀口流速高，使得从气泡微观层面上研究液压元件中的气穴现象非常困难。

目前，研究人员用湍流模型对液压阀口高速流场的速度和压力分布进行了仿真，结果得到了实验的验证。

同时对阀腔内压力分布，气穴与噪声的关系进行了研究。

发现阀口压力最低区出现在节流边附近，由于流束转折和流体脱离而产生。

背压对阀腔内压力分布有着直接的影响，同时决定了腔内气泡形态与噪声声级的大小。

因此在实际运用的液压阀中，可通过检测阀内流体压力的方法预测气穴可能发生的区域。

另外，在阀内流道设计时，可通过结构与参数的优化，缩小低压区，以控制气穴的初生与发展。

此项研究对节流阀结构设计及系统内气穴噪声的预防都有着重要的参考价值。

1.5国内外利用CFD软件对液压阀的研究状况

针对一般的液压阀类元件内部流场所作的数值模拟与仿真研究，国内外学者对液压阀的内部流场及特性己经进行了大量的研究工作，对进一步发展和完善液压阀的性能等提供了有力的理论基础。

ShigeruOSHIMA;TimoLEINO等对水用锥阀与油用锥阀在各个特性上进行了比较分析，详细地给出了不同压差下节流口处的压力变化、流量系数和质量流率的变化曲线图，以及阀芯上的压力分布图，这对理论研究和数值模拟都是一个很好的参考。

M.Borghi,Milani文中使用CFD软件FIDAP7.07分析了安全阀在固定开口度为0.4,0.7,1.0,1.2mm时的压力分布图、速度分布图和流量、压力与压差的曲线图。

通过阀芯表面上的压力积分计算了阀的稳态液动力，根据公式估计了瞬态液动力和稳态液动力两者的比例。

YoshinariNAKAMURA等通过实验的方法对锥阀的静态特性和动态特性进行了详尽的研究;M.Kipping用三种不同介质对液压滑阀的内部流场分别作了实验和数值分析;M.Dietze用不同的二维和三维模型对液压阀在不同的锥角下进行了数值模拟，并与实验结果基本吻合。

PriyatoshBarman对三维的滑阀模型进行了仿真研究。

指出滑阀在流量很大，压差很大时，阀内部的流动区域可能形成汽化，当气泡破裂时对阀体和阀芯表面形成气蚀。

使用STRA-CD流场仿真软件进行了两相流动的仿真。

文中给出阀内流场的压力分布，速度分布和气体体积分布图。

这对优化滑阀的阀腔结构，阻止气蚀现象的发生有一定的指导意义。

西南交通大学的王国志等运用三维流体分析软件对水压滑阀的流动状态以及阀芯受力情况进行了数值计算，对可视化的图形图像和计算结果进行了分析研究。

通过数值计算和可视化研究可以较容易获得在理论上很难计算的滑阀阀芯所受的液动力。

仿真计算所得的可视化结果与理论数据基本吻合，其结果为水压滑阀的设计提供了依据。

燕山大学的高殿荣首次将有限元方法应用于液压技术中各种异形断面流道，并对液压集成块内部的复杂流道、滑阀和锥阀流场进行了数值模拟，还从流体力学的连续性方程和Navier-stokes方程出发，并根据流函数和涡量与流速之间的关系式，推导出了以流函数和涡量w为变量的N-S方程的变形公式，并对其进行无量纲化。

浙江大学的王林翔采用湍流模型的k-ε两方程模型和有限容积法，对滑阀阀道内的流体流动进行了数值分析。

北京化工大学的沈晶，阐述了水锤现象产生的原因，通过对阀芯结构的改进减小水锤对液压阀寿命的影响。

浙江大学的冀宏，利用理论分析、流场仿真、压力分布测量等方式相结合，发现通过等截面段形成二级节流或采取大楔形角可以有效的消除气穴和噪声。

太原理工大学的王芳，采用AutoCAD和UG软件，按照先导阀的实际结构和参数，结合计算数学模型的可行性，分别建立了阀的二维和三维几何模型。

运用FLUENT前处理软件GAMBIT进行了网格的划分。

在FLUENT软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟。

1.6单向节流阀的未来发展

目前，液压系统和元件的设计，分析方法是基于一种半经验的方法，一些理论公式经多方简化，已难以解释和处理某些实际问题，对节流阀的开发和深入研究也存在着许多问题。

在理论分析中，很多内外界因素都未加以考虑，很多因素在不断影响着液压控制元件，也在不断困扰着研究人员对液压控制元件的理论分析与研究。

例如，压差对节流阀的流量的影响、温度对节流阀的流量的影响、节流阀节流口的堵塞、节流阀节流口的空穴现象以及节流阀的阀口漏油现象和节流阀的内部结构改进等问题。

因此，先进的科学技术对以上技术问题进行了研究和攻克。

随着计算机科学技术的迅速发展，研究人员逐渐开发了一系列的流体分析软件，应用CFD方法，采用Fluent流体软件及ANSYS有限元分析软件，对单向节流阀进行了结构应力及压差流量等各方面模拟分析，对实际上液压元件的运行进行了精确的计算分析，掌握了很多液压元件的运行仿真与优化设计和结构改进等资料。

因此，各种更先进的、更节能的、更优化的液压控制元件业相继问世，给现代的工业发展提供了更好的动力。

随着高压，高速，大流量和高效率液压系统发展的需要，对节能型、低噪声和环保型节流阀的研究也日益增多，不仅从各方面对节流阀进行技术上的改进，也从环保角度对液压控制元件的质量提升有积极的促进作用，并且逐步取得了实质性的突破。

1.7选题的目的和意义

20世纪是流体传动与控制技术逐步走向成熟的时代。

随着现代科学技术的飞速发展，它不仅可以充当一种传动方式，而且可以作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段。

能量转换、动力传动以及传动控制依然是21世纪全球经济的重要组成部分，流体传动与控制技术也依然是其中极为重要和积极的角色。

液压阀对流体的控制是通过内部流体的流动来实现对执行元件动作的控制，是以流体在阀中流功的运动学和动力学规律为基础的，所以应当深入研究阀内流体的流动状况以及流体与阀的固体部件之间的动力学联系，以提高阀的性能。

近年来随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用CFD方法，对液压阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，成为液压技术领域新的研究热点，研究工作对阀的结构参数设计和流道的优化没计具有重要的实际意义。

当液流流经液压阀的阀腔和阀口时，由于液流速度发生变化，将有液动力作用在阀芯上。

液压控制阀的操纵力必须能够克服阀的各种阻力，它包括惯性力、摩擦力、弹簧力和液体动力等，其中液动力所占的比例最大。

液动力不仅会影响阀的操纵力，而且还可能引起阀的自激振动，影响整个系统的稳定性和可靠性，它是设计、分析液压控制阀及液压系统的重要因素之一。

采用各种流场数值计算方法，对阀的流道内流场进行数值计算来准确计算液动力是最近几年阀液动力研究的热门课题，它可以用于改进阀的过流结构，对进行阀的液动力的补偿提供理论依据。

目前对三维模型的研究也只是对阀芯在固定开口度状态时的流场特性进行仿真，对阀芯在运动过程中阀内部流场的规律、特点的理论分析还很少。

液动力是设计、分析液压控制阀的重要因素之一，在国内外的研究中，大都是关于稳态液动力的机理研究和理论计算公式的推导，对稳态液动力也提出了很多有效的补偿措施。

对于阀瞬态液动力的研究工作较少，而且未见统一的理论计算公式。

本论文主要研究高水基节流阀的流场特性。

应用流场数值模拟及可视化方法进行分析，要研究清楚节流阀流场的流动特性和力特性及其影响因素，确定出该阀所受稳态液动力的大小，漩涡和脱流附壁现象产生的区域，找出阀结构中的薄弱环节，以分析阀的性能，并为此类节流阀的优化设计提供可靠的理论依据。

这对于降低实验研究费用，缩短前期研发周期，加快高水基技术发展的进程，对于提高阀的使用寿命和工作性能，提高阀的通流能力，减小泄漏和压力损失，改善加工工艺设计，解决节流阀存在的一些主要问题等都有一定的指导意义;对于保证整个使用高水基介质传动的液压支架电液控制系统和煤矿安全而高效地生产都具有十分重要的现实意义。

1.8本文的研究内容

对液压元件内部流场进行数值模拟，本课题中使用CFD软件来进行仿真研究。

参数化建模，可方便地修改机构

参数，如开口度变化，流道性状，

阀结构等变化，建模简单，快捷。

可从CADCAE系统中直接读入

数据，具有灵活方便的几何修正功

能和功能强大的网格划分工具。

对导入的网格进行仿真分析。

用户

可根据自己的特殊需要编制自己

的UDF，定制特殊的边界条件、实

现动网格等。

可采用自适应网格

根据流场的特性局部细化网格。

本次设计的主要内容有：

1、单向节流阀的结构设计；

2、单向节流阀的流道分析；

3、流道流场模拟分析；

4、单向节流阀的三维建模图；

5、毕业论文一篇。

1.9本章小结

本章主要介绍了课题研究的背景和意义，分析了当前单向节流阀的主要方向，给出了单向节流阀所面临的主要技术难题并提出了基本的解决方案，确定了本课题的主要工作和采取的技术路线。

本章对节流阀的结构、特点、应用和发展方向等进行了侧重分析，并提出了现代科学技术，尤其是计算机科学技术及流体分析软件的开发和应用，对单向节流阀的各方面技术等的改进起着至关重要的作用。

同时，在现代先进的科学技术支持下，我们也对单向节流阀的发展提出了各种良好期望与憧憬。

第二章单向节流阀的设计

2.1单向节流阀的结构和工作原理:

单向节流阀根据油液流动方向的不同，既可以作单向阀使用，又可以作节流阀使用，其结构如下图所示，主要由调节杆、止推、阀体、阀芯和弹簧组成，节流通道呈轴向三角槽式。

单向节流阀的工作原理如下：

图2-1单向节流阀的结构原理图

假设外界（液压泵或者液压阀）输出的液压油从通口Pj1流入，产生的油压力作用在阀芯左端面，克服复位弹簧作用在阀芯上的阻力，推动阀芯向右移动，打开节