1、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 班 级 06 城建机械 2 班 学生姓名 学 号 06290070222 课 题 节流阀内部流场数值模拟分析 指导教师 2010 年 5 月 28 日安徽建筑工业学院毕业设计（论文）1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(Computational Fluid Dynamics)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 Solid Works 软件，建立了阀的三维几何模型
2、。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，数值模拟安徽建筑工业学院毕业设计（论文）IABSTRACTUnidirectional Throttle Valve is a
3、 fluid transmission and control technology based on the most important components, valve relief valve within the flow field characteristics of a direct impact on the performance of valves. In this paper, computational fluid dynamics CFD (Computational Fluid Dynamics) software FLUENT for Pilot-operat
4、ed relief valve of the flow field calculation and analysis of numerical simulation.In this paper, according to the actual use of the Pilot-operated relief valve of the parameters, the use of Solid Works software, the establishment of a Pilot-operated relief valve of the three-dimensional geometric m
5、odel. FLUENT software, the use of pre-treatment works GAMBIT division of the grid. FLUENT software in two models of the flow field of the numerical simulation of steady-state.Spool valve in the main traits of the different boundary conditions and damping the same hole diameter is different from the
6、same boundary conditions to simulate the flow field to identify the impact of pressure and velocity distribution spool factors. Main valve port in the simulation, the main valve, respectively, compared to the structure of spherical cone valve cone peaceful side of the valve structure of the distribu
7、tion of pressure along the way, and then select the most appropriate here traits of the main valve spool. Damping holes on the numerical simulation, the focus on small damping of the pressure difference at both ends to find the pressure difference at both ends of the small diameter of the damping va
8、lue.KEY WORDS: Unidirectional Throttle Valve, the flow field, numerical simulation安徽建筑工业学院毕业设计（论文）II目 录目 录 .第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 节流阀的用途 .21.3 单向节流阀 .31.3.1 节流口堵塞原因 .41.3.2 减轻节流口堵塞的措施 .41.3.3 单向流阀的特点 .41.4 节流阀的历史研究成果 .61.5 国内外利用 CFD 软件对液压阀的研究状况 .71.6 单向节流阀的未来发展 .81.7 选题的目的和意义 .91.8 本文的研究内容 .101.9 本章
9、小结 .11第二章 单向节流阀的设计 .122.1 单向节流阀的结构和工作原理: .122.2 单向节流阀所面临的技术挑战： .132.3 解决措施及设计 .142.3.1 气蚀问题的解决措施 .142.3.2 泄漏、拉丝侵蚀问题的解决措施 .152.3.3 振动、噪声和工作稳定性问题的解决措施 .162.4 本章设计结果 .172.5 本章小结 .17第三章 单向节流阀的建模 .183.1 三维建模 Solid works 简介 .183.1.1 Solid Works 软件基本内容： .183.1.2 Solid Works 软件的特点： .193.2 单向节流阀流道建模 .203.2.1
10、 单向节流阀的内部型腔流道模型 .203.2.2 单向节流阀内部阀芯简化实体模型 .213.3 本章小结 .21第四章 单向节流阀的模拟仿真 .224.1 计算流体力学的特点 .224.2 Fluent 软件简介 .234.2.1 Fluent 程序的结构 .24安徽建筑工业学院毕业设计（论文）III4.2.2 Fluent 程序可以求解的问题 .254.3 单向节流阀的模拟仿真基础知识 .254.3.1 模拟仿真主要数值方法 .254.4 模型的仿真 .294.4.1 单向节流阀主流道的网格划分及流体分析 .294.4.2 单向节流阀节流口开口宽度为 4mm 时的流道分析 .31第五章 总结
11、与展望 .36参考文献 .37致谢 .40附录一：英文科技文献翻译 .41附录二：毕业设计任务书 .46安徽建筑工业学院毕业设计（论文）0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
12、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。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）11.2 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
13、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。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）2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
14、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
15、流口及节流流道进行简化简化建模，以便于分析计算。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）31.3.1 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
16、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
17、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。安徽建筑工业学院毕业设计（论文）4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
18、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
19、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
