基于Fluent液压阀流场的动态仿真及可视化研究

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其中 ’ 和 ’ X 6 代表了一个时间序列， ’ 代表了当 ’ X 6 下一步的时间， 第 ’ X 6 个时间体积为 前步时间， " ’ #6 % " ’ # G" !! G!
G" ) G! 是控制体积的时间导数， 为了满足网格守恒定 律， 控制体积的体积时间导数为 G" % G!
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可视化研究对象模型
要进行阀芯移动可视化仿真， 仅仅建立实体模型
是不够的， 还要建立能够实体运动的运动模型。实体 模型只有按照自己的规律运动， 才能给人以真实环境 的感觉。本文首先根据液压阀的结构和工作原理， 通 过一定的建模和手段， 建立了一个能反映液压阀阀芯 运动的数学模型。这个模型能描述阀芯运动的位移、 时 间、 速度、 加速度和液动力等相互关系参数， 同时考
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’ + 为控制体积的离散面的数量； # * 为第 * 面上的 面积矢量； "" * 是第 * 面 !! 时间过后扫过的体积。 ( , ! 空间离散的有限体积法网格重构算法 本文使用动态网格中的弹性系数算法和局部重构 算法对网格进行重构。在弹性系数算法中， 将任意两 个网格节点之间的边等效为一根弹簧。先由用户自定 义函数 [A3 （[I, A,H#*,G U 3%*-(#)* ） 计算出边界上 的结点位移。此位移将在与此结点相连的任意一条边 上产生一个弹性力， 弹性力的大小与位移大小成正比。 由此， 边界结点的位移就被传递到整个体网格。在平 衡状态下， 每个结点所受的所有与它相连边上的弹性 力之和为零。该平衡条件产生了一个循环的计算结点 位移的方程： !- .
仿真技术
（ ;） 从速度云图中可以看出， 过流断面面积突变 处， 将出现主流与壁面脱离的现象； （ =） 能量耗散的大小与漩涡区和过流断面积的大 小有关， 阀开口度越小， 漩涡区域越大， 能量耗散越大； 旋涡越小越多， 那么能量的损失越大， 流体噪声也越 !2 " 结果与分析 通过 3%$+)’ 软件后处理可以得到液压阀动态流场 的速度分布和压力分布情况。由于受篇幅限制， 文中 列出阀芯运动 4 个时间段的瞬态流场的云图， 时间分 别为： ! 5 4 6 78 ;< 6 78
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计算方法
+,- （ +./0’.1.2 ,13.1&3% -$#%. ） 方法 的 控 制 方程 7>B 方法的控制方程为 G !"G" # G! "
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件提供局部重构算法对坏质量网格进行合并或拆分。 此时坏质量网格定义为超过某一给定体， 低于某一指 定体积或者网格倾斜率大于某一数值的那些网格。
!"#$%&’() *&#")(+&,- (-. /&0"()&1(+&,- 2$0$(%’3 ,4 +3$ 5),6 5&$). 7-0&.$ +3$ 8,99$+ /():$ ;(0$. ,- 5)"$-+
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观察到锥阀的流场和温度场的变化， 这将为分析和计 算各种不同因素如直径和长度、 倾斜角度、 阀芯的速 度、 压力和流量等对阀的流场的影响提供依据， 也为阀 的结构优化设计和缩短优化周期奠定了基础。 参
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大。 （ 4） 锥阀的阀座拐角处， 是容易产生能量损失和 流体噪声的地方。
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结语
利用 3%$+)’ 软件的可视化图形分析， 可以清楚地
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Fra Baidu bibliotek
:。图 = 阀芯运动不同时刻的瞬态的速度云
图， 图 4 阀芯运动不同时刻的瞬态的压力云图。 当阀芯运动在不同位置时， 从液压阀仿真的瞬态 的速度云图和压力云图中可看出： （ 7） 由于阀芯移动， 过流截面面积逐渐减小， 导致 流速逐渐增大， 压力逐渐减小；
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"#$%&’ 求解器选择
在 3&%,*( 软件中输入 4’$5#( 的网格模型后， 根据
实际情况对求解器作如下参数设定： G,H#*,+ $)G,&I + I)&J,K。设 定 采 用 非 耦 合 方 式。 LA 轴对称， 非稳态； G,H#*,+$)G,&I+J#I-)%I。选择粘度模型为紊流； G,H#*,+$)G,&I+,*,K/0。加入能量计算方程； G,H#*,+$’(,K#M&I。定义物质属性。选取油作为流 动力粘度为 OS 6T D’・I。 动介质， 其密度为 N1O P/ Q $R ， G,H#*,+5)%*G’K0 -)*G#(#)*I。定义边界条件： 入口 出口压力为 OS 6O62 ?D’。 压力为 OS 11L ?D’， G,H#*, + %I,K U G,H#*,G + H%*-(#)*I + -)$V#&,G。设 定通过 W9 X X 编程的阀芯运动方程 G,H#*, + G0*’$#- $,I. + V’K’$,(,KI。设置最大单 元体积为： OS 6L $$R ， 最小单元体积为： OS OOO 66 $$R 。
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仿真技术!
虑到数值仿真时的边界条件设置。
"#$%&’(#)* +,-.*)&)/0 的不同， 只是多了 ! $ 运动网格相。 该方程时间导数的一阶差分可以写成
’ #6 ’ G （ !""） ( （ !""） !"G" % G! " !!
采用 3&%,*( 软件的前处理软件 4’$5#( 进行建模 和划分网格， 建立模型如图 6 所示。为了提高计算精 度， 同时达到节约计算机资源的目的在划分网格时将 流体的流动区域分为三部分： 进口 789" 区域与出口 34:; 和 <=>?@ 区域采用结构网格， 9AB3;<@CDEF 区 域采用非结构网格。
式中： " 为动区域控制体； ! 为流体的密度； * " 为动区 域控制体边界； ! 为时间； ! 为流体的速 " 为通用变量； 度矢量； ! $ 为网格的移动速度矢量； # 为广义扩散系 数； # 为面积矢量； & " 为 " 广义 -为梯度运算符号； 源项。 看出该方程与经典的 F7@" 方程相比， 没有太大
第一作者： 葛媛媛， 女， PYR4 年生， 副教授， 研究方 向： @7: ] @7X 在特种加工中的应用， 发表论文 Y 篇。 （ 编辑 0 孙德茂）
（ 收稿日期： 344R Z 4\ Z 3T ） 0 0 文章编号： T3P2 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 1 赵建社， 徐家文G 异形型腔数控电解加工过程的数字化模拟G 高技术 参 考 文 献
P 3 王福元， 徐家文等G 基于加工过程数值模拟的电解加工参数选择方 法G 中国机械工程， 344Q ， PR （ R） ： RPQ S RPT U(J&V WG X&’-+#&’",&% #(B+%> =(< ,(#;$’+< >"#$%&’"() (= +%+,’<(,-+#"K ,&% #&,-")"). ;<(,+>>+>G W($<)&% (= X&’+<"&%> L<(,+>>"). *+,-)(%(./， PYYT ， RQ （ P Z 2） 2 9&<B">’/ 9，X"%+-&# 7 [，!-"<C&)" 9G 7)&%/>"> &)B ,(#;$’+< >"#$%&K ’"() (= ’-+ +%+,’<(,-+#",&% #&,-")"). ;<(,+>>： & !’+;;+B X(C"). *((% ?K <(B"). 7 L%&)+ !$<=&,+G W($<)&% (= ?).")++<"). X&)$=&,’$<+， PYYQ ， 3P4 （ 63 ） ： P4Y Z PPT \ U(J&V WG @(#;$’+< >"#$%&’"() >/>’+# =(< +%+,’<(,-+#",&% >-&;").G W($<K )&% (= X&’+<"&%> L<(,+>>"). *+,-)(%(./， 344P ， P4Y （ 2） R Q 通讯， 344QG PQ （ \） ： 2Q2 S 2QQ 陆君安等编著G 偏微分方程的 X7*F76 解法G 北京： 机械工业出版 社， 3443G 苏金明， 张莲花主编G X7*F76 工具箱应用G 北京： 电子工业出版社， 344\G
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计算结果与分析
演示设定参数的动画过程 I)&J,+ ’*#$’(, + V&’05’-P。打开 “ V&’05’-P ” 对话
框， 如图 L 所示。在 7*#$’(#)* ",]%,*-,I 项选择速度 22 或压力 VK,II%K,， 点击播放面板上的播放按钮， 就可
!"#$%&’"() *+,-)(%(./0 观看阀芯从右到左运动在不同时刻的速度或压力变 化。
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式中， -/ ’ . 是与结点 . 相连的节点数 . 是结点 . 的位移， 目， 0 .* 结点 . 与相连的节点 * 之间的弹性常数， 定义为 0 .* % 6 ) ! 1 -. ( -* 1 当边界结点位移己知时， 就可以用 <’-)5# 扫描算 法求解上述方程。得到收敛解后， 内部结点的位置被 更新。 当边界结点的位移相对局部网格的尺寸很大时， 网格的质量将变得很差。为避免这一问题， 3&%,*( 软
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仿真技术
基于 !"#$%& 液压阀流场的动态仿真及可视化研究
包海涛
（ 淮阴工学院交通工程系， 江苏 淮安 332442 ） 摘 !"# ） 和 $% 5 5 语言编程实 要： 为了深入研究液压阀的阀芯在运动过程中流场特性， 通过自定义函数（ 现阀芯给定的运动规律， 采用拉格朗日—欧拉法（ &’( 法） 和动态网格新方法进行计算， 给出阀芯运 动在不同时刻的瞬态流场。通过可视化分析可更清楚全面地反映阀芯运动时内部的复杂流场变化 情况， 从机理上分析阀内部流场和能量损失关系， 为流道结构优化设计提供了更充分的理论依据。 关键词： 液压阀 流场 动态网格 可视化计算