安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計論文專業(yè)機械設計制造及其自動化班級06城建機械2班學生姓名學號課題節(jié)流閥內部流場數值模擬分析指導教師2010年5月28日摘要單向節(jié)流閥是流體傳動與控制技術中重要的基礎元件，節(jié)流閥內部的流場特性直接影響節(jié)流閥的性能。本文結合計算流體動力學CFDCOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICS軟件FLUENT對節(jié)流閥的內部流場進行了數值模擬與分析計算。本文按照實際使用中的節(jié)流閥的參數，采用SOLIDWORKS軟件，建立了閥的三維幾何模型。運用FLUENT前處理軟件GAMBIT了網格的劃分。在FLUENT軟件中對兩種模型的流場進行了穩(wěn)態(tài)數值模擬。在主閥閥芯的性狀不同、邊界條件相同和節(jié)流口開口寬度不同、邊界條件相同時對流場進行模擬，找出影響閥芯壓力和速度分布的因素。在對主閥口進行模擬時，分別對比不同開口寬度時的沿程壓力分布情況，進而選擇出最適合此處的主閥閥芯性狀和開口寬度。對阻尼小孔進行數值模擬時，重點考慮節(jié)流閥開口處兩端的壓力差，找到兩端壓力差小的阻尼孔直徑數值。關鍵詞單向節(jié)流閥，內部流場，數值模擬ABSTRACTUNIDIRECTIONALTHROTTLEVALVEISAFLUIDTRANSMISSIONANDCONTROLTECHNOLOGYBASEDONTHEMOSTIMPORTANTCOMPONENTS,VALVERELIEFVALVEWITHINTHEFLOWFIELDCHARACTERISTICSOFADIRECTIMPACTONTHEPERFORMANCEOFVALVESINTHISPAPER,COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSCFDCOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSSOFTWAREFLUENTFORPILOTOPERATEDRELIEFVALVEOFTHEFLOWFIELDCALCULATIONANDANALYSISOFNUMERICALSIMULATIONINTHISPAPER,ACCORDINGTOTHEACTUALUSEOFTHEPILOTOPERATEDRELIEFVALVEOFTHEPARAMETERS,THEUSEOFSOLIDWORKSSOFTWARE,THEESTABLISHMENTOFAPILOTOPERATEDRELIEFVALVEOFTHETHREEDIMENSIONALGEOMETRICMODELFLUENTSOFTWARE,THEUSEOFPRETREATMENTWORKSGAMBITDIVISIONOFTHEGRIDFLUENTSOFTWAREINTWOMODELSOFTHEFLOWFIELDOFTHENUMERICALSIMULATIONOFSTEADYSTATESPOOLVALVEINTHEMAINTRAITSOFTHEDIFFERENTBOUNDARYCONDITIONSANDDAMPINGTHESAMEHOLEDIAMETERISDIFFERENTFROMTHESAMEBOUNDARYCONDITIONSTOSIMULATETHEFLOWFIELDTOIDENTIFYTHEIMPACTOFPRESSUREANDVELOCITYDISTRIBUTIONSPOOLFACTORSMAINVALVEPORTINTHESIMULATION,THEMAINVALVE,RESPECTIVELY,COMPAREDTOTHESTRUCTUREOFSPHERICALCONEVALVECONEPEACEFULSIDEOFTHEVALVESTRUCTUREOFTHEDISTRIBUTIONOFPRESSUREALONGTHEWAY,ANDTHENSELECTTHEMOSTAPPROPRIATEHERETRAITSOFTHEMAINVALVESPOOLDAMPINGHOLESONTHENUMERICALSIMULATION,THEFOCUSONSMALLDAMPINGOFTHEPRESSUREDIFFERENCEATBOTHENDSTOFINDTHEPRESSUREDIFFERENCEATBOTHENDSOFTHESMALLDIAMETEROFTHEDAMPINGVALUEKEYWORDSUNIDIRECTIONALTHROTTLEVALVE,THEFLOWFIELD,NUMERICALSIMULATION目錄目錄第一章緒論111引言112節(jié)流閥的用途213單向節(jié)流閥3131節(jié)流口堵塞原因4132減輕節(jié)流口堵塞的措施4133單向流閥的特點414節(jié)流閥的歷史研究成果615國內外利用CFD軟件對液壓閥的研究狀況716單向節(jié)流閥的未來發(fā)展817選題的目的和意義918本文的研究內容1019本章小結11第二章單向節(jié)流閥的設計1221單向節(jié)流閥的結構和工作原理1222單向節(jié)流閥所面臨的技術挑戰(zhàn)1323解決措施及設計14231氣蝕問題的解決措施14232泄漏、拉絲侵蝕問題的解決措施15233振動、噪聲和工作穩(wěn)定性問題的解決措施1624本章設計結果1725本章小結17第三章單向節(jié)流閥的建模1831三維建模SOLIDWORKS簡介18311SOLIDWORKS軟件基本內容18312SOLIDWORKS軟件的特點1932單向節(jié)流閥流道建模20321單向節(jié)流閥的內部型腔流道模型20322單向節(jié)流閥內部閥芯簡化實體模型2133本章小結21第四章單向節(jié)流閥的模擬仿真2241計算流體力學的特點2242FLUENT軟件簡介23421FLUENT程序的結構24422FLUENT程序可以求解的問題2543單向節(jié)流閥的模擬仿真基礎知識25431模擬仿真主要數值方法2544模型的仿真29441單向節(jié)流閥主流道的網格劃分及流體分析29442單向節(jié)流閥節(jié)流口開口寬度為4MM時的流道分析31第五章總結與展望36參考文獻37致謝40附錄一英文科技文獻翻譯41附錄二畢業(yè)設計任務書46第一章緒論11引言社會的發(fā)展，要求人類賴以生存的環(huán)境是一個安全、無污染、高度文明的、美好的環(huán)境。因此要求科學技術向安全化、生態(tài)化、藝術化、環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的目標發(fā)展。自帕斯卡定理發(fā)明幾百年來，由于液壓具有防銹，潤滑性好，粘度大的優(yōu)點，得以廣泛的應用。人類利用礦物油作為液壓系統(tǒng)的工作介質，創(chuàng)造了一代又一代的由液壓油傳動與控制的各類主機系統(tǒng)，為社會生產力的發(fā)展做出了巨大的貢獻。但是，液壓系統(tǒng)的安全問題也隨之凸顯出來。液壓系統(tǒng)中節(jié)流閥是重要的液壓元件，它能調節(jié)液壓系統(tǒng)的工作流量并保證整個液壓執(zhí)行元件的安全。由于在實際工作中，泵提供的流量往往要大于工作流量，對有節(jié)流閥的系統(tǒng)來說，節(jié)流閥就必須控制流入或流場執(zhí)行元件的流量從而控制元件的速度，由于節(jié)流口而造成較大的壓力損失。本課題就是從改善和優(yōu)化節(jié)流閥的內部流道著手，通過流場數值分析手段，降低液壓系統(tǒng)的局部壓力損失，進而得到更合理的內部流道。本課題目的是利用所學的流體力學、液壓和控制知識為優(yōu)化節(jié)流閥內部流場做理論研究。本設計的主要內容分為原理部分、三維實體建模部分及流場分析部分。12節(jié)流閥的用途圖11單向節(jié)流閥節(jié)流閥是重要的液壓元件，其主要是用來改變相關閥口的流通面積，從而調節(jié)液壓系統(tǒng)的工作流量并保證整個液壓執(zhí)行元件的安全。節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油井測試、固井等高壓管路中，通過調節(jié)節(jié)流閥閥桿來改變節(jié)流孔面積，以達到調節(jié)管路壓力和流量的目的。1對節(jié)流閥的性能要求流量調節(jié)范圍大，流量一一壓差變化平滑；內泄露量小，若有外泄露油口，外泄露量也要??；調節(jié)力矩小，動作敏捷。2節(jié)流閥的分類及工作原理節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制流體流量的閥。將節(jié)流閥和單向閥并聯(lián)則可組成單向節(jié)流閥。節(jié)流閥和單向節(jié)流閥是簡易的流量控制閥。在定量泵液壓系統(tǒng)中，節(jié)流閥和溢流閥配合，可組成三種節(jié)流調速系統(tǒng)，即進油路節(jié)流調速系統(tǒng)、回油路節(jié)流調速系統(tǒng)和旁路節(jié)流調速系統(tǒng)。節(jié)流閥沒有流量負反饋功能，不能補償由于負載變化所造成的速度不穩(wěn)定，一般僅僅用于負載變化不大或對速度穩(wěn)定性要求不高的場合。按照其功用，具有節(jié)流功能的閥有節(jié)流閥、單向節(jié)流閥、精密節(jié)流閥、節(jié)流截止閥和單向節(jié)流截止閥等；按節(jié)流口的結構形式，節(jié)流閥有針式、沉割槽式、偏心槽式、錐閥式、三角槽式、薄刃式等多種；按其調節(jié)功能，又可將節(jié)流閥分為簡式和可調式兩種。13單向節(jié)流閥單向節(jié)流閥根據油液流動方向的不同，既可以作為單向閥使用，又可以做節(jié)流閥使用，其主要有調節(jié)桿、止推、閥體、閥芯和彈簧組成，節(jié)流道呈軸向三角槽式。但有些時候，為了節(jié)流閥內部流場分析的必要，可以將其內部節(jié)流口及節(jié)流流道進行簡化簡化建模，以便于分析計算。131節(jié)流口堵塞原因（1）油液中的機械雜質或因氧化析出的膠質、瀝青、碳渣等污染物等堆積在節(jié)流縫隙處；（2）由于油液老化或受到擠壓后產生帶電的極化分子，而節(jié)流縫隙的金屬表面上存在電位差，故極化分子被吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，吸附層厚度一般為58微米，因而影響了節(jié)流縫隙的大小。以上堆積、吸附物堆積到一定厚度時，會被液流沖刷掉，隨后又重新吸附到閥口上。這樣周而復始，就形成了流量的脈動；（3）閥口壓力差較大時，因閥口溫度高，液體受擠壓的程度增強，金屬表面也更容易收摩擦作用而形成電位差，因此壓差大時容易產生堵塞現(xiàn)象。132減輕節(jié)流口堵塞的措施（1）選擇水力半徑大的薄刃節(jié)流口；（2）精密過濾并定期更換油液；（3）適當減小節(jié)流口前后的壓力差；采用電位差較小的金屬材料，選用抗氧化穩(wěn)定性較好的油液，減小節(jié)流口表面粗糙度。133單向節(jié)流閥的特點（1）構造比較簡單，便于制造和維修，成本低；（2）調節(jié)精度不高，不能作調節(jié)使用；（3）密封面易沖蝕，不能作切斷介質用；（4）密封性較差。節(jié)流閥按通道方式可分為直通式和角式兩種；按啟閉件的形狀分，有針形、溝形和窗形三種。節(jié)流閥的安裝與維護應注意以下事項該閥經常需要操作，因此應該安裝在易于方便面操作的位置上；安裝時要注意介質方向與閥體所標箭頭方向保持一致。為了保證流量穩(wěn)定、節(jié)流口的形式易薄壁小孔較為理想。以下為幾種常用的節(jié)流口的形式針閥式節(jié)流口，它通道長，濕周大，易堵塞，流量受油溫影響較大。一般用于對性能要求不高的場合。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，其缺點是閥芯上的徑向力不平衡，旋轉閥芯時較為費勁，一般用于壓力較低、流量較大和流量穩(wěn)定性要求不高的場合。軸向三角槽式節(jié)流口，其結構簡單，水力直徑中等，可得到較小的穩(wěn)定流量，且調節(jié)范圍較大，但節(jié)流通道有一定長度，油溫變化對流量有一定影響，目前被廣泛應用。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，轉動閥芯就可以控制開口的大小。閥口做成薄刃形，通道短，水力直徑大，不易堵塞，油溫對流量影響小，因此其性能接近于薄壁小孔，適用于低壓小流量的場合。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，閥芯作軸向移動即可改變開口的大小。在液壓傳動系統(tǒng)中，節(jié)流元件與溢流閥并聯(lián)于液壓泵的出口，構成恒壓油源，使得泵出口的壓力恒定。節(jié)流閥和溢流閥相當于兩個并聯(lián)的液阻，液壓泵輸出流量不變，流經節(jié)流閥進入液壓缸的流量和流經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。節(jié)流閥式一種可以在較大范圍內以改變液阻來調節(jié)流量的元件。因此可以通過調節(jié)節(jié)流閥的液阻，來改變進入液壓缸的流量，從而調節(jié)液壓缸的運動速度；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)流閥就起不到調節(jié)流量的作用。液壓泵輸出的液壓油全部經節(jié)流閥進入液壓缸。改變節(jié)流閥節(jié)流口的大小，只是改變液流流經節(jié)流閥的壓力降。節(jié)流口小，流速快；節(jié)流口大，流速慢，而總的流量是不變的，因此液壓缸的運動速度不變。所以，節(jié)流元件用來調節(jié)流量是有條件的，即要求有一個接受節(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）。通過這一環(huán)節(jié)來補償節(jié)流元件的流量變化。節(jié)流閥的剛性表示它抵抗負載變化的干擾，保持流量穩(wěn)定的能力，即當節(jié)流閥開口量不變時，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。流量變化越大，節(jié)流閥的剛性越大；反之，其剛性越小。134節(jié)流閥的壓力和溫度補償普通節(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載（亦即其出口壓力）變化的影響，不能保持執(zhí)行元件運動速度的穩(wěn)定，因此只適用于工作負載變化不大和速度穩(wěn)定性要求不高的場合，由于負載的變化很難避免，為了改善調速系統(tǒng)的性能，通常是對節(jié)流閥進行壓力補償，即采取措施使節(jié)流閥前后壓力差在負載變化時始終保持不變。節(jié)流閥的壓力補償有兩種方式一種是將定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)起來，組合成調速閥；另一種是將穩(wěn)壓溢流閥并聯(lián)起來，組成溢流節(jié)流閥。這兩種壓力補償方式是利用流量變動所引起油路壓力的變化，通過閥芯的負反饋動作，來自動調節(jié)節(jié)流部分的壓力差，使其保持不變。液壓傳動系統(tǒng)對節(jié)流閥的主要要求有1）有較大的流量調節(jié)范圍，且流量調節(jié)要均勻；2）當閥前、后壓力差發(fā)生變化時，通過閥的流量變化要小，一保證負載運動的穩(wěn)定；3）油溫變化對通過閥的流量影響要小；4）油液通過安全閥時的壓力損失要??；5）當閥口關閉時閥的泄露量要小。14單向節(jié)流閥的歷史研究成果及應用對單向節(jié)流閥的研究內容，主要包括理論研究，實驗研究和數字仿真。國內外從六十年代初開始對單向節(jié)流閥進行研究。經歷了定性和定量研究階段。單向節(jié)流閥廣泛應用于液壓控制系統(tǒng)的調速和延時回路中，其既可以作為單向閥使用，又可以作節(jié)流閥使用。穩(wěn)態(tài)液動力是影響單向節(jié)流閥性能的關鍵因素之一，不僅決定換向阻力，同時也影響單向節(jié)流閥的精確控制。節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油田測試、固井等高壓管路中，通過調節(jié)節(jié)流閥閥桿來改變節(jié)流孔面積，以達到調節(jié)管路中壓力和流量的目的。因此，它的性能好壞直接影響到油田節(jié)流作業(yè)時的人身安全和工作效率。研究成果對高壓節(jié)流閥的失效進行了分析，指出了單向節(jié)流閥的各種失效形式，并隨著CAD/CAE技術的發(fā)展，尤其是計算流體動力學技術的發(fā)展，對節(jié)流閥進行流場數值模擬成了目前對節(jié)流閥進行優(yōu)化設計的重要手段。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。液壓元件內流道形體復雜、尺寸小、壓差大、閥口流速高，使得從氣泡微觀層面上研究液壓元件中的氣穴現(xiàn)象非常困難。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行了仿真，結果得到了實驗的驗證。同時對閥腔內壓力分布，氣穴與噪聲的關系進行了研究。發(fā)現(xiàn)閥口壓力最低區(qū)出現(xiàn)在節(jié)流邊附近，由于流束轉折和流體脫離而產生。背壓對閥腔內壓力分布有著直接的影響，同時決定了腔內氣泡形態(tài)與噪聲聲級的大小。因此在實際運用的液壓閥中，可通過檢測閥內流體壓力的方法預測氣穴可能發(fā)生的區(qū)域。另外，在閥內流道設計時，可通過結構與參數的優(yōu)化，縮小低壓區(qū)，以控制氣穴的初生與發(fā)展。此項研究對節(jié)流閥結構設計及系統(tǒng)內氣穴噪聲的預防都有著重要的參考價值。15國內外利用CFD軟件對液壓閥的研究狀況針對一般的液壓閥類元件內部流場所作的數值模擬與仿真研究，國內外學者對液壓閥的內部流場及特性己經進行了大量的研究工作，對進一步發(fā)展和完善液壓閥的性能等提供了有力的理論基礎。SHIGERUOSHIMATIMOLEINO等對水用錐閥與油用錐閥在各個特性上進行了比較分析，詳細地給出了不同壓差下節(jié)流口處的壓力變化、流量系數和質量流率的變化曲線圖，以及閥芯上的壓力分布圖，這對理論研究和數值模擬都是一個很好的參考。MBORGHI,MILANI文中使用CFD軟件FIDAP707分析了安全閥在固定開口度為04,07,10,12MM時的壓力分布圖、速度分布圖和流量、壓力與壓差的曲線圖。通過閥芯表面上的壓力積分計算了閥的穩(wěn)態(tài)液動力，根據公式估計了瞬態(tài)液動力和穩(wěn)態(tài)液動力兩者的比例。YOSHINARINAKAMURA等通過實驗的方法對錐閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行了詳盡的研究MKIPPING用三種不同介質對液壓滑閥的內部流場分別作了實驗和數值分析MDIETZE用不同的二維和三維模型對液壓閥在不同的錐角下進行了數值模擬，并與實驗結果基本吻合。PRIYATOSHBARMAN對三維的滑閥模型進行了仿真研究。指出滑閥在流量很大，壓差很大時，閥內部的流動區(qū)域可能形成汽化，當氣泡破裂時對閥體和閥芯表面形成氣蝕。使用STRACD流場仿真軟件進行了兩相流動的仿真。文中給出閥內流場的壓力分布，速度分布和氣體體積分布圖。這對優(yōu)化滑閥的閥腔結構，阻止氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生有一定的指導意義。西南交通大學的王國志等運用三維流體分析軟件對水壓滑閥的流動狀態(tài)以及閥芯受力情況進行了數值計算，對可視化的圖形圖像和計算結果進行了分析研究。通過數值計算和可視化研究可以較容易獲得在理論上很難計算的滑閥閥芯所受的液動力。仿真計算所得的可視化結果與理論數據基本吻合，其結果為水壓滑閥的設計提供了依據。燕山大學的高殿榮首次將有限元方法應用于液壓技術中各種異形斷面流道，并對液壓集成塊內部的復雜流道、滑閥和錐閥流場進行了數值模擬，還從流體力學的連續(xù)性方程和NAVIERSTOKES方程出發(fā)，并根據流函數和渦量與流速之間的關系式，推導出了以流函數和渦量W為變量的NS方程的變形公式，并對其進行無量綱化。浙江大學的王林翔采用湍流模型的K兩方程模型和有限容積法，對滑閥閥道內的流體流動進行了數值分析。北京化工大學的沈晶，闡述了水錘現(xiàn)象產生的原因，通過對閥芯結構的改進減小水錘對液壓閥壽命的影響。浙江大學的冀宏，利用理論分析、流場仿真、壓力分布測量等方式相結合，發(fā)現(xiàn)通過等截面段形成二級節(jié)流或采取大楔形角可以有效的消除氣穴和噪聲。太原理工大學的王芳，采用AUTOCAD和UG軟件，按照先導閥的實際結構和參數，結合計算數學模型的可行性，分別建立了閥的二維和三維幾何模型。運用FLUENT前處理軟件GAMBIT進行了網格的劃分。在FLUENT軟件中對兩種模型的流場進行了穩(wěn)態(tài)數值模擬。16單向節(jié)流閥的未來發(fā)展目前，液壓系統(tǒng)和元件的設計，分析方法是基于一種半經驗的方法，一些理論公式經多方簡化，已難以解釋和處理某些實際問題，對節(jié)流閥的開發(fā)和深入研究也存在著許多問題。在理論分析中，很多內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。例如，壓差對節(jié)流閥的流量的影響、溫度對節(jié)流閥的流量的影響、節(jié)流閥節(jié)流口的堵塞、節(jié)流閥節(jié)流口的空穴現(xiàn)象以及節(jié)流閥的閥口漏油現(xiàn)象和節(jié)流閥的內部結構改進等問題。因此，先進的科學技術對以上技術問題進行了研究和攻克。隨著計算機科學技術的迅速發(fā)展，研究人員逐漸開發(fā)了一系列的流體分析軟件，應用CFD方法，采用FLUENT流體軟件及ANSYS有限元分析軟件，對單向節(jié)流閥進行了結構應力及壓差流量等各方面模擬分析，對實際上液壓元件的運行進行了精確的計算分析，掌握了很多液壓元件的運行仿真與優(yōu)化設計和結構改進等資料。因此，各種更先進的、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)展提供了更好的動力。隨著高壓，高速，大流量和高效率液壓系統(tǒng)發(fā)展的需要，對節(jié)能型、低噪聲和環(huán)保型節(jié)流閥的研究也日益增多，不僅從各方面對節(jié)流閥進行技術上的改進，也從環(huán)保角度對液壓控制元件的質量提升有積極的促進作用，并且逐步取得了實質性的突破。17選題的目的和意義20世紀是流體傳動與控制技術逐步走向成熟的時代。隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，它不僅可以充當一種傳動方式，而且可以作為一種控制手段，充當了連接現(xiàn)代微電子技術和大功率控制對象之間的橋梁，成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術手段。能量轉換、動力傳動以及傳動控制依然是21世紀全球經濟的重要組成部分，流體傳動與控制技術也依然是其中極為重要和積極的角色。液壓閥對流體的控制是通過內部流體的流動來實現(xiàn)對執(zhí)行元件動作的控制，是以流體在閥中流功的運動學和動力學規(guī)律為基礎的，所以應當深入研究閥內流體的流動狀況以及流體與閥的固體部件之間的動力學聯(lián)系，以提高閥的性能。近年來隨著計算機技術和計算流體動力學理論的發(fā)展，應用CFD方法，對液壓閥內部的流場進行仿真計算和可視化分析，成為液壓技術領域新的研究熱點，研究工作對閥的結構參數設計和流道的優(yōu)化沒計具有重要的實際意義。當液流流經液壓閥的閥腔和閥口時，由于液流速度發(fā)生變化，將有液動力作用在閥芯上。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、彈簧力和液體動力等，其中液動力所占的比例最大。液動力不僅會影響閥的操縱力，而且還可能引起閥的自激振動，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，它是設計、分析液壓控制閥及液壓系統(tǒng)的重要因素之一。采用各種流場數值計算方法，對閥的流道內流場進行數值計算來準確計算液動力是最近幾年閥液動力研究的熱門課題，它可以用于改進閥的過流結構，對進行閥的液動力的補償提供理論依據。目前對三維模型的研究也只是對閥芯在固定開口度狀態(tài)時的流場特性進行仿真，對閥芯在運動過程中閥內部流場的規(guī)律、特點的理論分析還很少。液動力是設計、分析液壓控制閥的重要因素之一，在國內外的研究中，大都是關于穩(wěn)態(tài)液動力的機理研究和理論計算公式的推導，對穩(wěn)態(tài)液動力也提出了很多有效的補償措施。對于閥瞬態(tài)液動力的研究工作較少，而且未見統(tǒng)一的理論計算公式。本論文主要研究高水基節(jié)流閥的流場特性。應用流場數值模擬及可視化方法進行分析，要研究清楚節(jié)流閥流場的流動特性和力特性及其影響因素，確定出該閥所受穩(wěn)態(tài)液動力的大小，漩渦和脫流附壁現(xiàn)象產生的區(qū)域，找出閥結構中的薄弱環(huán)節(jié)，以分析閥的性能，并為此類節(jié)流閥的優(yōu)化設計提供可靠的理論依據。這對于降低實驗研究費用，縮短前期研發(fā)周期，加快高水基技術發(fā)展的進程，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，改善加工工藝設計，解決節(jié)流閥存在的一些主要問題等都有一定的指導意義對于保證整個使用高水基介質傳動的液壓支架電液控制系統(tǒng)和煤礦安全而高效地生產都具有十分重要的現(xiàn)實意義。18本文的研究內容對液壓元件內部流場進行數值模擬，本課題中使用CFD軟件來進行仿真研究。參數化建模，可方便地修改機構參數，如開口度變化，流道性狀，閥結構等變化，建模簡單，快捷?？蓮腃AD/CAE系統(tǒng)中直接讀入數據，具有靈活方便的幾何修正功能和功能強大的網格劃分工具。對導入的網格進行仿真分析。用戶可根據自己的特殊需要編制自己的UDF，定制特殊的邊界條件、實現(xiàn)動網格等?？刹捎米赃m應網格根據流場的特性局部細化網格。根據所研究的側重點，確定研究對象的初始狀態(tài)。確定參數特征，即具體尺寸。SOLIDWORKSGAMBITFLUENT本次設計的主要內容有1、單向節(jié)流閥的結構設計；2、單向節(jié)流閥的流道分析；3、流道流場模擬分析；4、單向節(jié)流閥的三維建模圖；5、畢業(yè)論文一篇。19本章小結本章主要介紹了課題研究的背景和意義，分析了當前單向節(jié)流閥的主要方向，給出了單向節(jié)流閥所面臨的主要技術難題并提出了基本的解決方案，確定了本課題的主要工作和采取的技術路線。本章對節(jié)流閥的結構、特點、應用和發(fā)展方向等進行了側重分析，并提出了現(xiàn)代科學技術，尤其是計算機科學技術及流體分析軟件的開發(fā)和應用，對單向節(jié)流閥的各方面技術等的改進起著至關重要的作用。同時，在現(xiàn)代先進的科學技術支持下，我們也對單向節(jié)流閥的發(fā)展提出了各種良好期望與憧憬。第二章單向節(jié)流閥的設計21單向節(jié)流閥的結構和工作原理單向節(jié)流閥根據油液流動方向的不同，既可以作單向閥使用，又可以作節(jié)流閥使用，其結構如下圖所示，主要由調節(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。單向節(jié)流閥的工作原理如下圖21單向節(jié)流閥的結構原理圖假設外界（液壓泵或者液壓閥）輸出的液壓油從通口PJ1流入，產生的油壓力作用在閥芯左端面，克服復位彈簧作用在閥芯上的阻力，推動閥芯向右移動，打開節(jié)流閥閥口，油液通過徑向孔從通口PJ2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，此時單向節(jié)流閥主要起單向閥作用。假設外界（液壓泵或者液壓閥）輸出的油液從通口PJ2流入節(jié)流閥，需要手動調節(jié)調節(jié)桿，以克服彈簧作用在閥芯上的阻力，使閥芯作軸向移動，打開閥口。此時，油液經過閥芯上的三角槽和孔道，從通道口PJ1流出。通過改變節(jié)流口三角槽的通流面積，以改變液阻，來控制通過節(jié)流閥的流量，實現(xiàn)微量調節(jié)。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，單向節(jié)流閥主要起到節(jié)流閥的作用。22單向節(jié)流閥研究所面臨的技術挑戰(zhàn)1腐蝕和腐蝕磨損問題由于介質有較強的腐蝕性，因此節(jié)流閥所用材料應具有較強的耐腐蝕性能。對于中間主閥口、節(jié)流閥口及主閥導向面處，腐蝕與磨損同時存在，兩者相互促進，將使零件加速失效。顯然，單向節(jié)流閥的材料難以滿足腐蝕及腐蝕磨損的要求。2氣蝕問題當液流流經節(jié)流口的喉部位置時，根據伯努利方程，該處的壓力要降低。如壓力低于液壓油工作溫度下的空氣分離壓，溶解在油液中的空氣將迅速地大量分離出來，變成氣泡。這些氣泡隨著液流流到下游壓力較高的部位處時，會因承受不了高壓而破滅，產生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲而引起振動，當附著在金屬表面上的氣泡破滅時，它所產生的局部高溫和高壓會使金屬剝落，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。單向節(jié)流閥隨著工作介質的不同，氣蝕分為氣體氣蝕和汽化氣蝕兩種。由于液壓油的汽化壓力很低，同時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。相同條件下空氣在水中的溶解度約為液壓油的2O倍，而水的汽化壓力50時12KPA比液壓油50時1OMPA高1O倍，因此水壓控制閥中起主導作用的是汽化氣蝕。水壓閥與油壓閥氣蝕本質的不同，決定了其危害性比油壓閥的氣蝕嚴重。當閥的工作壓力較高時，主閥口和先導閥口將在較大的壓差下工作，使閥口流速很高，極易發(fā)生汽化氣蝕。3拉絲侵蝕和泄漏問題在單向節(jié)流閥中，高速流體會對配合面產生很強的沖刷作用，久而久之會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。當高速流體中攜帶污染顆粒時，其破壞作用大大加劇。主閥口、節(jié)流閥口及主閥芯導向面處都是易產生泄漏和拉絲侵蝕的部位。4振動、噪聲和工作穩(wěn)定性問題由于介質的壓力沖擊，在單向節(jié)流閥中易產生水錘現(xiàn)象。噪聲會給工作環(huán)境帶來噪聲污染；振動會引起節(jié)流閥表面損傷，并導致節(jié)流閥的靜態(tài)性能下降、控制壓力失調等后果，反過來又加劇了振動和噪聲。因此節(jié)流閥的振動、噪聲對單向節(jié)流閥的工作性能、可靠性和使用壽命都有很大影響。23解決措施及設計針對單向節(jié)流閥的上述關鍵技術難題，設計了下面的解決方法。231氣蝕問題的解決措施節(jié)流閥氣穴發(fā)生的程度可用氣穴系數表示。越大，氣穴現(xiàn)象越嚴重。的表達式為（21）12VP式中，為節(jié)流閥入口壓力；為節(jié)流閥出口壓力；為飽和蒸汽壓。12PVP為減小氣穴的發(fā)生及其危害，應盡量使小。由式1可知，要減小D，只有降低入口壓力或提高出口壓力值。這種方法的實際應用就是把單節(jié)流閥口設計成兩級節(jié)流閥口的形式，則每級閥口的氣蝕系數分別（22）12VP（23）12V式中，為兩節(jié)流閥口間的壓力。12P與單級閥口的氣穴系數相比，、分別因出口壓力提高和入口壓力12降低而減小。較典型的例子是日本設計的兩級平板式節(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。圖22兩級錐閥式節(jié)流閥口在本次設計中，單向節(jié)流閥在解決氣蝕問題方面，主要采取了以下措施在液壓系統(tǒng)中的任何地方，只要壓力低于空氣分離壓，就會發(fā)生空穴現(xiàn)象。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。具體措施有以下（1）理設計閥口的形狀和結構參數閥芯與閥座的形狀和結構參數與氣蝕有密切關系。為減弱氣蝕，單向節(jié)流閥閥口在結構上主要有以下特點主閥芯采用帶圓弧的平端錐閥結構。相對于圓錐形和球形錐閥結構，平端錐閥截去圓錐的抗氣蝕性能較強。主閥的錐角較小，并且閥芯錐角大于閥座錐角。對外流式錐閥，當錐角較小時，由于流體收縮小，出口壓力較高，因而不易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。由于壓力最低處一般位于收縮部位附近，此處流速很高，當閥芯錐角小于閥座錐角時，氣穴發(fā)生在閥口處，反之，則發(fā)生在閥口下游。實驗研究表明，當閥芯錐角小于閥座錐角時，閥口較容易出現(xiàn)氣穴和流量飽和現(xiàn)象。主閥口采用階梯狀兩級節(jié)流口結構如圖22。實驗研究表明，該結構在小開度時每級閥口都承擔了壓差，因而可減小氣蝕。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。一般而言，閥心受到的氣蝕破壞比閥座嚴重，因而在選擇閥心與閥座的材料時，閥心材料通常比閥座的硬度高。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，以增加零件的機械強度，提高零件的表面加工質量等。232泄漏、拉絲侵蝕問題的解決措施本次設計在結構上采取了以下措施1在主閥心與主閥套之間加組合密封件增加密封件后,主閥心上的摩擦力增加,對閥的靜態(tài)性能稍有影響,但可減小泄漏,并防止拉絲侵蝕的破壞。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。2閥口處選擇合適硬度的材料配對材料的硬度越高,抗拉絲侵蝕的能力越強。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,設計時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。233振動、噪聲和工作穩(wěn)定性問題的解決措施關于節(jié)流閥噪聲產生的原因,許多學者已進行了相應的分析和研究。歸納而言，節(jié)流閥產生振動和噪聲的原因主要有以下幾個方面1節(jié)流閥閥開啟時,由于穩(wěn)態(tài)液動力的側向分力不平衡產生振動,其主要原因有閥座孔不圓度誤差，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；彈簧加工時端面不平，或彈簧與彈簧座裝配間隙設計不當，使彈簧力偏離閥心中心線，導致閥心偏振。2氣穴現(xiàn)象當發(fā)生氣穴現(xiàn)象時，氣泡的破裂會產生高頻噪聲；另一方面，氣泡破裂產生的沖擊波會導致閥心振擺。3自激振蕩噪聲節(jié)流閥是一個彈簧一質量系統(tǒng)，當阻尼小時，由于自激振蕩發(fā)出高頻顫振聲。4通過閥口的高速液流與周圍液體之間產生剪切流、渦流而發(fā)出噪聲。5主閥導向面處泄漏過大，節(jié)流閥口節(jié)流不足，使節(jié)流閥閥芯發(fā)生振蕩。針對油壓節(jié)流閥的振動、噪聲和工作穩(wěn)定性問題，相關文獻提出了多種解決措施，如減小錐閥半錐角、減小錐閥前腔體積、節(jié)流閥前腔加消振墊或消振塞等，但這些措施對于節(jié)流閥并不能從根本上解決問題。本文在節(jié)流閥部分設計了一種新型的結構，即在節(jié)流閥芯尾部設置了阻尼開口寬度。一方面，節(jié)流閥芯與節(jié)流閥體的導向配合面可減小節(jié)流閥芯因受不平衡徑向力引起的偏振；另一方面，節(jié)流閥心運動時，阻尼開口內的壓力變化使閥心的運動阻尼增加，從而提高單向節(jié)流閥的工作穩(wěn)定性。24本章設計結果圖示就是在前人努力的基礎上進行優(yōu)化而得到的簡化模型圖圖24單向節(jié)流閥的內部流道簡化模型圖25本章小結本文分析了單向節(jié)流閥的關鍵技術難題，并從材料和結構兩個方面著手解決。在結構上主要采用了在節(jié)流閥入口設置固定節(jié)流孔和二級節(jié)流主閥口以減小氣蝕；閥心上加組合密封件減小泄漏和拉絲侵蝕；節(jié)流閥芯尾端設置阻尼腔以抑制振動、噪聲，提高節(jié)流閥的工作穩(wěn)定性等措施。第三章單向節(jié)流閥的建模31三維建模SOLIDWORKS簡介SOLIDWORKS一套機械設計自動化軟件，它采用了大家所熟悉的MICROSOFTWINDOWS圖形用戶界面。使用這套簡單易學的工具，機械設計工程師能快速地按照其設計思想繪制出草圖，嘗試運用特征與尺寸，及制作模型和詳細的工程圖。311SOLIDWORKS軟件基本內容（1）SOLIDWORKS模型由零件、裝配體和工程圖組成。（2）通常，您從繪制草圖開始，然后生成基體特征，并在模型上添加更多的特征。（您還可以從輸入的曲面或幾何實體開始。）（3）您可以隨意添加特征、更改特征以及將特征重新排序，進一步完善您的設計。（4）由于零件、裝配體及工程圖的相關性，所以當其中一個視圖改變時，其它兩個視圖也自動相應改變。（5）您隨時可在設計過程中生成工程圖或裝配體。（6）SOLIDWORKS應用程序允許您自定義功能以滿足需要。（7）單擊主菜單欄上的工具、選項，顯示可用的系統(tǒng)選項和文件屬性標簽。（8）SOLIDWORKS應用程序可以為您保存工作。（9）自動恢復選項可以自動保存關于激活零件、裝配體或工程圖文件的信息，從而不會在系統(tǒng)死機時丟失數據。如要設定此選項，請單擊工具、選項。在系統(tǒng)選項標簽上，單擊備份，選擇保存自動恢復信息每N次變更。指定信息自動保存前應發(fā)生的變更次數。312SOLIDWORKS軟件的特點（1）第一個在WINDOWS操作系統(tǒng)下開發(fā)的CAD軟件，采用WINDOWS系列，與WINDOWS系統(tǒng)全兼容，是WINDOWS的OLE/2產品。（2）菜單少，使用直觀、簡單，界面友好。SOLIDWORKS一共只有60多個命令，其余所有命令與WINDOWS命令是相同的；下拉菜單一般只有二層，（三層的不超過5個）；圖形菜單設計簡單明快，非常形象化，一看即知。系統(tǒng)的所有參數設置全部集中在一個選項（OPTION）中，容易查找和設置。動態(tài)引導具有智能化，一般情況下無須用戶去修改。特征樹獨具特色，實體及光源均可在特征樹中找到，操作特征非常方便。裝配約束所有的概念非常簡單且容易理解。實體的建模和裝配完全符合自然的三維世界。對實體的放大、縮小和旋轉等操作全部是透明命令，可以在任何命令過程中使用，實體的選取非常容易、方便。（3）數據轉換接口豐富，轉換成功率高SOLIDWORKS支持的標準有IGES、DXF、DWG、SAT（ACSI）、STEP、STL、ASC或二進制的VDAFS（VDA，汽車工業(yè)專用）、VRML、PARASOLID等，且與CATIA、PRO/ENGINEER、UG、MDT、INVENTOR等設有專用接口。SOLIDWORKS與IDEAS、ANSYS、PRO/ENGINEER、AUTOCAD等之間的數據轉換均非常成功、流暢。（4）獨特的配置功能SOLIDWORKS允許建立一個零件而有幾個不同的配置（CONFIGURATION），這對于通用件或形狀相似零件的設計，可大大節(jié)約時間。（5）特征管理器特征管理器PROPERTYMANAGER是SOLIDWORKS的獨特技術，在不占用繪圖區(qū)空間的情況下，實現(xiàn)對零件的操縱、拖曳等操作。（6）自上而下的裝配體設計技術（TOPTODOWN）目前只有SOLIDWORKS提供自上而下的裝配體設計技術，它可使設計者在設計零件、毛坯件時于零件間捕捉設計關系，在裝配體內設計新零件、編輯已有零件。（7）比例縮放技術可以給模具零件在X、Y、Z方向給定不同的收縮而得到模具型腔或型芯。（8）曲面設計工具用SOLIDWORKS，設計者可以創(chuàng)造出非常復雜的曲面，如由兩個或多個模具曲面混合成復雜的分型面。設計者亦可裁減曲面、延長曲面、倒圓角及縫合曲面。32單向節(jié)流閥流道建模本篇論文的重點是從流道流場進行分析研究，進而優(yōu)化得到更合理的內部流場流道。本人先是根據前人的設計經驗，把節(jié)流閥的內部工作原理模型進行分析，在它的基礎上進行優(yōu)化，從而得到結構和內部流道優(yōu)化過的，各項性能都比較好的單向節(jié)流閥的模型。由于本文主要是對單向節(jié)流閥的內部流場進行分析和優(yōu)化，所以就必須對節(jié)流閥內部的結構和尺寸進行相對的優(yōu)化，以便于更好地利用邊界條件和閥內部的簡化結構，從而更好、更合理地對單向節(jié)流閥進行內部流場分析。下面將把單向節(jié)流閥的內部簡化型腔和閥芯給大家介紹一下。322單向節(jié)流閥的內部空型腔實體建模下圖為簡化后的單向節(jié)流閥的內部型腔流道模型圖31單向節(jié)流閥內部型腔流道模型效果圖322單向節(jié)流閥內部閥芯簡化實體建模下圖為簡化后的單向節(jié)流閥內部閥芯模型圖33單向節(jié)流閥內部閥芯簡化模型效果圖33本章小結本章主要是利用三維軟件對單向節(jié)流閥的內部型腔和內部閥芯進行實體建模。開始時我認為要對整個單向節(jié)流閥進行系統(tǒng)其具體地建模，但后來我才發(fā)現(xiàn)，只有對節(jié)流閥內部流道進行簡化建模才能更有利于接下來的內部流場數值模擬分析。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)流閥的內部流道進行簡化后，才可能更精確地對其內部流場進行分析。第四章單向節(jié)流閥的模擬仿真41計算流體力學的特點任何流體運動的規(guī)律都是以能量守恒、動量守恒和質量守恒三大定律為基礎的。這些基本定律可以通過積分或者微分的形式來描述。把這些積分或者微分用離散的代數形式代替，使得積分或微分的形式變?yōu)榉匠袒蚍匠探M，然后借助于電子計算機來求解方程或方程組，從而得到流場在離散的時間或空間上的數值解。這樣的方法稱為計算流體動力學COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICS，簡稱CFD，也稱流場的數值模擬，數值計算，數值仿真。研究流體力學的方法一般是實驗研究、理論分析與數值模擬三種。隨著計算技術的發(fā)展，計算流體力學自20世紀60年代中已形成一個獨立的學科分支，成為研究流體運動規(guī)律，解決很多工程實際問題的三大手段之一。近年來，隨著高速巨型并行計算機的出現(xiàn)，計算方法的不斷創(chuàng)新，計算流體力學更有了日新月異的進展。它為流體力學的發(fā)展掀開了新的一頁，成為當今最活躍的研究領域之一。計算流體動力學，就是在電子計算機上求解流體動力學基本方程的學科，通過數值求解各種簡化的或非簡化的流體動力學基本方程，獲取各種條件下流場的數據和作用在繞流物體上的力和熱量。CFD模擬的目的是幫助理解流體流動，建立理論和模擬的數學模型，在工程上支持設計過程和做出決斷。模擬的目的就是對流場做出預測和獲得知識，理論地預測出自于數學模型的結果，而不是出自于一個實際的物理模型的結果。數學模型主要是由一組微分方程組成，這些方程的解就是CFD模擬的結果。在流體力學基本方程中的微分和積分項中包括時間、空間變量以及物理變量。要把這些積分或者微分項用離散的代數形式代替，必須把時空變量和物理變量離散化?？臻g變量的離散對應著把求解域劃分為一系列的格子，稱為單元體或控制體。所謂數值解就是在這些離散點或控制體中流動物理變量的某種分布，它們對應著的流體力學方程的用數值表示的近似解。由此可見，CFD得到的不是傳統(tǒng)意義上的解析解，而是大量的離散數據。這些數據對應著流體力學基本方程的近似的數值解。作為研究工具，計算流體力學具有其獨特的優(yōu)點。計算流體動力學是與流體有關的動力系統(tǒng)設計的重要工具。相對于實驗研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優(yōu)點。計算流體動力學與液壓閥等基本理論的結合，比采用試驗可視化方法更容易、直接，而且可以節(jié)約經濟開支。在初步設計階段，用計算流體力學可以較快地進行技術可行性分析，多種方案的篩選。相對于試驗階段更省時，經濟效益更好。在對某個方案進行具體設計階段時，計算流體力學更方便進行優(yōu)化設計?？傊?，使用計算流體動力學在工程設計中不僅可以得到很好的對內部結構的預測，減少和避免風險，而且可能花費更少的時間和經費獲取性能優(yōu)化。另外，計算流體力學可以方便靈活地改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，并且可直接獲取基本方程的解，可以獲得整個流場中任意一點處的詳細情況，給出流場包括力，速度，密度，溫度等所有詳盡的數據，能方便的識別一些關鍵參數的影響和探索力學現(xiàn)象相互作用的結果和規(guī)律，研究流動機理很方便。比如在液壓技術的流道流場中，通過對液壓元件的壓力分布，流線走向，以及對紊流模型中流場內部中漩渦、氣穴部位等的研究，可對流道內部結構進行優(yōu)化和改造。過去計算流體力學只是研究和發(fā)展部門的專家使用的工具，現(xiàn)在計算流體力學技術已經廣泛地應用于工業(yè)生產和設計部門。采用CFD的方法對流體流動進行數值模擬，通常包括以下步驟1建立反映工程問題或物理問題本質的數學模型具體地說就是要建立反映問題各個量之間關系的微分方程及相應定解條件，這是數值模擬的出發(fā)點。流體的基本控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。2尋求高效率、高精確度的計算方法即建立針對控制方程的數值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。這些內容是CFD的核心。3進行計算這部分工作包括計算網格劃分、初始條件和邊界條件的輸入和控制參數的設定等。這是整個工作中花時間最多的部分。4顯示計算結果計算結果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質量和結果有重要參考意義。以上這些步驟構成了CFD數值模擬的全過程。42FLUENT軟件簡介過去CFD只是研究和發(fā)展部門的專家使用的工具，現(xiàn)在CFD技術已經廣泛地應用于工業(yè)生產和設計部門。本課題選用CFD軟件FLUENT進行流場的仿真分析。FLUENT軟件根據用戶的需求，針對各種流動的物理問題的特點，用戶可采用不同的離散格式和求解算法，可使用單、雙精度計算，使計算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達到最佳。其設計是基于CFD軟件群的概念，F(xiàn)LUENT將不同領域的計算軟件組合起來，軟件之間可以方便地進行數值交換，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算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動，將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上。421FLUENT程序的結構FLUENT程序軟件包主要由以下幾個部分組成1GAMBIT用于建立幾何結構和網格的生成。2FLUENT進行模擬計算的求解器。3PREPDF用于模擬燃燒過程。4TGRID用于從現(xiàn)有的邊界網格生成體網格。5FLITERS轉換其他程序生成的網格。通常使用GAMBIT專用前處理器進行網格的劃分。對二維流動，可以生成三角形和矩形網格對于三維流動，則可生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網格。結合具體計算，還可生成混合網格，其自適應功能，有三角形和四面體的等角適應網格、懸掛節(jié)點適應網格功能，能對網格進行細分或粗化，或生成不連續(xù)網格、可變網格和滑動網格。對于給定的精度，自適應細化方法使網格細化方法變得很簡單，并且減少了計算量，可以根據自己的需要，比如幾何模型的特征或流場解析結果局部細化網格。FLUENT求解器具有良好的人機界面，單位的換算有極大的靈活性，采用有限體積法作為求解NS方程組的方法，有“分離”和“耦合”兩種求解器，有多種紊流模型可以選擇，如SPALARTALLMARAS粘渦模型，包括STANDARDK模型，REALIZABLEK模型和RGK模型，兩種K模型，雷諾應力模型，大渦模型等等。對每一種物理問題的流動才李點有適合它的數值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇，使計算也度、不急定性和精度等方而達到最佳。在后處理方面，F(xiàn)LUENT自身的后處理功能就非常強大。生成的結果可以是流場壓力等變量的輪廓圖和速度等的矢量圖以及流動中的流線圖等。求解的結果可以方便地顯示在不同的截面上，以便于分析，并且可以生成文字性的報告。FLUENT提供了許多計算和報告表面和邊界積分值的工具。這些工具可以讓用戶得到通過邊界的物質質量流率和熱量傳遞速率，在邊界處的作用力以及動量值，還可以得到在一個面上或者在一個體中的面積、積分、流率、平均值和質量平均值其它童。另外，用戶還可以得到幾何形狀和求解數據的直方圖，設置無因次系數的參考值以及計算投影表面積。用戶也能打印或者存儲一個包括當前CASE中的模型設定、邊界條件和求解設定等情況的摘要報告。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。422FLUENT程序可以求解分析的問題FLUENT軟件應用非常廣泛，主要范圍如下可壓與不可壓流動問題。穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流