（流体机械及工程专业论文）水压机主分配器内部流场的分析与研究.pdf

摘要 摘要 锻造水压机是机械制造行业中的重型机械设备，是衡量一个国家机械 制造水平和能力的标志之一。作为水压机的关键零部件主分配器，其设计 的合理性及科学性关系到水压机的整体性能的提高。我国锻造水压机的设 计制造经历了学习、仿制到不断改进的过程。目前，水压机零部件的设计 还是依靠老经验老做法，缺乏理论指导，难于满足当代大型水压机的使用， 因此，从水力学的角度，对水压机的进排水阀门开展内部流动分析的研究， 特别是大口径专用阀门的流场研究，有重要的理论意义和实用价值。 本文以当前常用的水压机主分配器的进水阀、排水阀和卸压阀为主要 研究对象，建立了其数学模型，基于有限元理论，利用c f d 软件对进水阀 和排水阀进行了内部流场的数值模拟研究，验证了应用c f d 软件对水压机 零部件进行数值模拟的可行性，为该类型研究奠定了基础。通过对进水阀 和排水阀内部流场的模拟分析，可知，目前常用的进水阀引水孔结构不合 理，容易产生气蚀，影响其使用寿命，而且出口速度变化范围大，不利于 系统稳定。针对水阀的特点，对大口径进水阀和排水阀进行流场计算，确 定其优化设计指导思想为：控制旋涡，减小旋涡区，减小涡的强度；控制 压力分布，使阀体受力更均匀，改善局部应力状态，提高阀门使用的安全 性；最小绝对压力高于水的汽化压力，不产生汽蚀。同时，考虑过阀的压 力损失，从水力学的角度对该阀进行了优化设计。经过优化改进引水孔的 倾斜角度，阀腔内压力均匀分布，出口速度变化缓和，性能得到改善。 关键词数值模拟；有限体积法；湍流；进水阀；排水阀；c f d 软件 燕山大学工学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ef o r g i n gp u m p p r e s si sp r o f e s s i o nh e a v yd u t ym a c h i n e r ye q u i p m e n ti n t h em a c h i n em a n u f a c t u r e ，i so n eo fs y m b o l st h a tw e i g h sac o u r t t r ym a c h i n e m a n u f a c t u r el e v e la n da b i l i t y a st h eh y d r a u l i cp r e s se s s e n t i a ls p a r ep a r t ，i n l e t v a l v ea n dt h ed r a w o f fv a l v e sd e s i g nr a t i o n a l i t ya n dt h es c i e n t i f i ci sr e l a t et o m e n t i o no ft h eh y d r a u l i cp r e s so v e r a l lp e r f o r m a n c e t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e o fo u rc o u n t r yf o r g i n gp u m p p r e s sh a se x p e r i e n c e dt h ep r o c e s sw h i c ht h es t u d y , i m i t a t e su n c e a s i n g l yi m p r o v i n g a tp r e s e n t ，t h eh y d r a u l i cp r e s s s p a r ep a r t s d e s i g na l s od e p e n d so nt h eo l dp r o c e d u r ew h i c hl a c k st h et h e o r yi n s t r u c t i o n ， c a l l ts a t i s f yt h eu s et h ec o n t e m p o r a r yl a r g e s c a l eh y d r a u l i cp r e s s ，t h e r e f o r e ， f r o mt h ew a t e rp o w e ra n g l e ，s t u d y i n go ni n t e r i o rf l o wa n a l y s i so ft h ew a t e r p r e s s s i n l e ta n dd r a wo f fv a l v e ，s p e c i a l l yt ot h er e s e a r c ho nf l o wf i e l do ft h e h e a v y - c a l i b e rs p e c i a l - p u r p o s ev a l v e ，h a st h ei m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n d t h ep r a c t i c a lv a l u e t h i sp a p e rt a k e st h ec u r r e n tc o m m o n l yu s e dh y d r a u l i cp r e s si n l e tv a l v ea n d t h ed r a w o f fv a l v ea st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t ，e s t a b l i s h e di t sm a t h e m a t i c a l m o d e l ，b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y , h a sc o n d u c t e dt h ei n t e r n a lf l o wf i e l d v a l u es i m u l a t o rs t u d yt ot h ei n l e tv a l v ea n dt h ed r a w o f fv a l v eu s i n gc f d s o f t w a r e ，c o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yc a r r y i n go nt h ev a l u es i m u l a t i o nt oh y d r a u l i c p r e s ss p a r ep a r t u s i n gc f ds o f t w a r e ，h a sl a i d t h ef o u n d a t i o nf o rt h i st y p e r e s e a r c h t h r o u g ht ot h es i m u l a t i o na n a l y s i st oi n l e tv a l v ea n dt h ed r a w o f fv a l v e i n t e r i o rf l o wf i e l d w ek n o w , t h es t r u c t u r eo fd i v e r s i o np o r eo fi n l e tv a l v e c o m m o n l yu s e da tp r e s e n ti su n r e a s o n a b l e ，i se a s yt oh a v et h ec a v i t a t i o n ，a f f e c t s i t ss e r v i c el i f e ，a n dh a s b i g g e rr a n g e o fo u t l e t v e l o c i t y sv a r i a t i o n ，i s d i s a d v a n t a g e o u si ss t a b l et ot h es y s t e m t h ev a l v es t r u c t u r ei so p t i m i z e dt om e e t t h en e e d ，w h i c hm a k e si th a v es u c ha d v a n t a g e s ：s m a l l e rv o r t e xa r e aa n df a i n t i s h v o r t e xi n t e n s i t y ，s ot h ev i b r a t i o no fv o r t e xi sc o n t r o l l e de f e c t i v e l y t h ep r e s s u r e n a b s t r a c t i sd i s t r i b u t e dm o r ee q u a l i t y ，t h et r a n s i t i o na r e ai sl a r g e r t h el o c a ls t r e s ss t a t ei s i m p r o v e db e c a u s eo ft h ev a l v eb e a r i n gm o r ee q u a b l e ，a n dt h ev a l v ei sm o r e s e c u r e 。t h el o w e s ta b s o l u t ep r e s s u r ei sh i 曲e rt h a nw a t e rv a p o r i z a b l ep r e s s u r e ， s on ov i b r a t i o ng e n e r a t e db yc a v i t a t i o n s a f t e rt h eo p t i m i z e di m p r o v e m e n tt h e t i l ta n g l eo fd i v e r s i o np o r e ，t h ei n t e r n a lp r e s s u r eo fv a l v ee v e nd i s t r i b u t i o n ，t h e o u t l e tv e l o c i t yc h a n g et or e l a x ，t h ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d k e y w o r d s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m u md e s i g n ；f i n i t ev o l u m em e t h o d ； i n l e tv a l v e ；o u t l e tv a l v e ；c f ds o f t w a r e h i 燕山大学硕士学位论文原创性说明 本人郑重声明：此处所提交的硕士论文水压机主分配器内部流场的 分析与研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 燕山大学硕士学位论文使用授权书 水压机主分配器内部流场的分析与研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：红，膨够1 导师签名：1 7l 纱 日期：五卿年妇2 园 日期：研年妇脚 第1 章绪论 第1 章绪论 大型锻件的生产，是机械制造业的重要环节。近年来，国内外在电力 工业、造船工业、航空工业、重型机械制造业等各个部门都不断向大型、 重型产品发展。这些产品的关键零部件往往是自由锻造水压机锻压的大型 锻件，为适应这些产品的发展，大型锻件的生产在尺寸和重量方面不断增 大，在质量要求方面则愈加严密1 1 1 1 2 1 。 i 1 锻造水压机系统概述 1 1 1 水压机系统组成 液压机根据传动介质的不同分为水压机和油压机，水压机以其传动介 质便宜、污染小、抗燃性好广受用户欢迎。传统水压机控制一般采用机液 位置随动系统，使用大手柄，连杆系统结构复杂，机构庞大，维修困难， 运动平稳性差。随着自动控制技术、计算机技术、微电子技术发展，锻造 水压机系统采用电液伺服控制系统，其响应速度快，控制精度高，能够实 现精锻，提高锻件质量，而且改善了工人的工作环境。 目前，锻造水压机控制系统一般包括泵站、主操纵系统和电液伺服控 制系统。泵站和主操纵系统的工作介质为乳化液。它是由2 的乳化脂和 9 8 的软水搅拌而成，它应具有较好的防腐蚀和防锈性能，并有一定的润 滑作用，乳化液价格便宜，抗燃性好，不易污染场地。泵站为动力源，供 给水压机各执行机构及控制机构以高压工作液体。操纵系统属于控制机构， 它通过控制工作液体的流向来使各执行机构按照工艺要求完成应有的动 作。电液伺服控制系统是以油液为传递动力的介质来驱动操纵系统的控制 机构一主分配器，并结合先进计算机控制技术，可实现主分配器各阀的开 启高度精确控制和活动横梁的精确定位，进而为工艺过程自动化及提高各 运动部分的控制精度奠定基础。 水压机普遍采用泵蓄势器传动，蓄势器存储高压液体，当水压机 工作时，泵和蓄势器同时供液，水压机可以获得瞬时高速。泵和蓄势器供 燕山大学工学硕士学位论文 给的液体压力在蓄势器压力波动范围内，可认为基本恒定。也就是说，泵 站输出为恒高压，那么工作行程速度则随工件变形抗力的增加而减少。 1 1 2 水压机工作原理 液压机根据帕斯卡原理制成，是一种利用液体压力能来传递能量，以 实现各种压力加工工艺的机器。 锻造水压机操纵系统示意图如图1 1 所示。正常锻造时，它的工作循 环包括停止、充液行程、工作行程及回程、停止，现分述如下。 1 主分配器2 摇杆轴3 角位移传感器4 气功分级装置5 油压接力器 6 活动横梁7 工作缸8 回程缸9 充液阀l o 低堆补偿器 图1 1 操纵系统工作示意图 f i g 1 - 1 t h ec o n t r o ls y s t e mf i g u r e 2 第1 章绪论 ( 1 ) 充液行程操作手柄由“停止”位置移到“充液行程”位置，油压接力 器旋转，主分配器回程缸排水阀开启，活动横梁靠自重下降，回程缸中液 体排入水泵站，此时工作缸内液体压力下降，充液阀自动打开，把低压补 偿器内的液体经充液阀吸入到工作缸内，实现活动横梁空程向下的充液行 程。当活动横梁快接触到工件时，须降低回程缸排水阀开启高度，操作手 柄须往回稍微扳一小角度，防止横梁冲击工件。 ( 2 ) z 作行程操作手柄移到“工作行程”位置，油压接力器继续旋转， 依次打开主分配器的主工作缸进水阀( 一级压力) 、两侧缸进水阀( 二级压 力，都开三级压力) ，高压液体经充液阀进入工作缸，实现对工件加压，此 时，回程缸排水阀继续打开排液。 ( 3 ) 回程工作行程结束时，操作手柄往回搬到“回程”位置，油压接力 器5 反向转动，三个工作缸进水阀关闭，随后三个主工作缸排水阀打开卸 压，卸压的水回储液罐，而后油压接力器继续旋转，使回程缸和充液接力 器通高压液体，打开充液阀，截断充液阀到排水阀的通路，活动横梁在回 程缸高压液体作用下向上运动，迫使工作缸中大量液体排入充液罐或低压 缓冲器。 ( 4 ) 停止操作手柄再回搬到“停止”，三个工作缸的排水阀继续打开， 工作缸通低压，而此时回程缸进水阀和排水阀都关闭，液体被封闭在回程 缸内，故活动横梁可停在操作空间的任意位置。 为了精锻和修边等工作时提高工作速度，要求水压机能够实现快速锻 造功能。水压机采用电液伺服控制系统精确控制主分配器摇杆轴转角，伺 服系统突出的优点就是响应快，只要往复快速操纵手柄就可以实现快锻。 从其工作过程，可以看出主分配器是水压机的关键部件，而水压机专 用的进水阀和排水阀的动作决定水压机的工艺加工过程，它的设计的正确 性及使用的合理性对压机系统的使用寿命起着决定作用。 1 2 主分配器 主分配器是水压机系统的关键部件，是水压机操纵系统的控制核心。 一般而言，控制一个液压缸柱塞的运动，需要一个进水阀和一个排水阀。 由几组控制工作缸及回程缸的进排水阀组成的阀体叫主分配器，用以控制 液压机活动横梁的各种行程。下面以5 0 m n 自由锻造水压机系统为例对其 3 燕山大学t 学硕士学位论文 说明，见图1 2 。主分配器由主分配器阀体、中间缸进排水阀、两侧主缸 进排水阀、回程缸进排水阀及单向阀、油压接力器和摇杆轴组成。各进排 水阀采用平衡式原理设计，具有良好启闭特性。单向阀相当于安全阀，用 于因回程排水阀发生故障而使回程缸压力升高时的安全溢流，从而保护回 程缸及管道。油压接力器的两个柱塞缸的柱塞对称分布在主分配器的摇杆 轴中心两侧，各阀按工艺要求设计并分别对称安放在摇杆轴两侧并通过阀 杆与摇杆轴相连。电液伺服控制系统控制两柱塞缸往复动作，利用杠杆原 理完成摇杆轴顺时针旋转和逆时针旋转，从而驱动各阀开启和关闭来完成 活动横梁“空程快速下降一一减速加压快速回程停止”的工 作循环。 * 自m 蕞缱嚣21 船“ l 同程缸进水阀2 回程缸捧水闻3 中间缸进水阀4 中i 司缸排水阀5 两侧土缸进水阀 6 两侧主缸排水阀7 两侧主缸进水阀8 单向阀9 油压接力器1 0 摇杆轴 图i - 2 主分配器示意图 f i g 1 - 2 t h em a i nd i s t r i b u t i o nf i g u r e 1 3 锥阀 水压机操纵系统中由于压力大和流量大，广泛采用锥测3 1 。而这种 锥阀区别于油压机所用的插装阀。水压机用的锥阀分为进水阀和排水阀、 单向阀、节流阀等，而进水阀和排水阀是水压机的重要部件，其结构形式 是参照国外样本、基于多年使用经验专门为水压机研发设计的，进水阀和 排水阀的结构大致一样，如图1 3 所示。 4 第1 章绪论 阀杆1 以锥面与阀座2 相研配，上、下阀杯3 及4 上开有通水孔，阀 杆上面有弹簧压住，下端伸出阀箱。两端均有密封装置及导套。由于阀杆 在上、下密封处的直径d 均相同，因此当阀开启后，阀杆上下所受液体压 1 润杆2 阀座3 上阀杯4 f 阀杯 图1 - 3 锥阀 f i g 3 t h ec o n ov a l v e 力相同，处于平衡状态，叫平衡式阀。我国部颁标准均采用平衡式阀。在 锥阀未开启前，由于阀的上腔处于高压液体作用下，因此当阀径大于2 5 m m 5 燕山大学丁学硕士学位论文 时，开启就很费力，为此需采用带卸压阀的锥阀，其结构及工作原理如图 1 - 4 所示，在主阀内装有直径较小的卸压阀。主阀上腔通过阀杯上所开的 直径很小的( 约( p 2 m m ) 引水斜孔与阀杯外的高压液体连通；在高压液体和 弹簧作用下，阀门关闭。 开启阀门时，卸压阀先开启，主阀上腔的高压液体经卸压阀口迅速排 走，由于引水斜孔的过水截面积为卸压阀口的过水截曲积的1 1 0 1 2 0 ， 因此，流经小引水孔的阀杯外腔的高压液体。来不及补充主阀上腔经卸压 阀排走的液体主阀上腔液压迅速降低，使得主阀开启力大力减少，此即 卸压阀的工作原理。 限程螺塞 i 水孔 卸压阀 毛阀 图1 - 4 卸压阀 f i g 1 - 4 t h er e l i e f p r e s s u r ev a l v e 水压机的排水阎和进水阀如图1 5 所示，结构上的主要区别是阀杯上 过水孔的大小和数量不一样。大小和数量不同，为了能较准确地控制液压 机活动横梁的工作速度，在进水阀的阀杯上开设数排小孔，当阀门开启高 度不同时，液体流动时的局部阻力损失也不同，以此节流原理来控制液体 的压力和流量，从而控制活动横梁的工作速度。相反，为了迅速排掉工作 6 第1 章绪论 缸中的液体，减小排水阻力，排水阀的阀杯上应尽量开大孔。有时，在工 作缸排水阀上区开数排小孔，以改善排水过快造成的冲击振动，但会引起 工作缸卸压时间延长，增加压机的工作循环时间。 进水阀阀杯上开孔的方式有三种： ( 1 ) 孔径相等，多排均匀分布； ( 2 ) 孔径相等，多排不均匀分布，从下往上每排孔数逐渐增多； ( 3 ) 孔径不等，从下住上逐渐增大。 从实际加工和使用经验得出：后者便于较准确地控制活动横梁速度， 前两者则便于制造。但无论是进水阀和排水阀，设计者在定性分析的基础 上，以实际投入使用的情况作为“理论依据”，试探性地改进进排水阀的结 构，这样不仅成本代价高，而且危险性大，缺乏理论指导1 4 l 。 a 进水阀b 排水阀 1 卸压阀2 阀杯3 主阀4 。阀座5 阀体 图1 - 5 进水阀与排水阀 f i g 1 - 5 t h ei n l e tv a l v ea n do u t 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 4 课题的目的、意义及来源 近几年，伴随着重工业和钢铁业的快速发展，国内液压机的数量不能 满足市场的需要，尤其是大型液压机。许多大中型企业开始设计和制造大 型液压机。就目前液压机设计可参考资料来看，主要是八十年代沈鸿主编 的1 2 0 0 0 吨锻造水压机、俞新陆主编的液压机。水压机零部件的选 择以中华人民共和国机械工业部发布的水压机零部件标准( 1 9 7 8 ) 为蓝 本。国内，水压机零部件的加工企业很少，而且大多足小作坊型，没有理 论研究基础条件，许多水压机零部件生产主要依靠传承下的老图纸以及聘 请6 0 、7 0 年代的水压机设计者和使用者，致使水压机零部件的性能仍停滞 于6 0 年代水平上，跟不上当代越来越高大型压机的性能和技术要求。 目前，水压机系统普遍存在以下问题： ( 1 ) 水压机压力高、流量大，加上工作介质的特殊性，对零部件容易侵 蚀，使其使用寿命短； ( 2 ) 水压机零部件的承受工作压力往往低于设计压力，一般不能高于 2 5 m p a ，否则，泄漏严重； 现在研究水压机系统零部件的专家和学者已很少，我们有幸结识了水 压机老专家王佐栋先生、张金洪先生等，他们从事水压机的设计和改造工 作长达3 0 多年，参与了中华人民共和国机械工业部发布的水压机零部件 编写工作，他们很希望能有专家和学者从理论的角度，利用先进的计算机 软件，对水压机系统及其零部件的合理性和科学性进行分析和研究。可以 说要想提高水压机的性能及其使用寿命，必须基于理论高度上对水压机系 统进行全方面的系统的研究，而水压机的关键零部件进排水阀的特性便是 需要研究的主要内容之一。本文利用流场分析软件，首次模拟了大口径的 进水阀和排水阀的内部流场，特别是对进水阀在三种结构下的流场进行了 系统的计算和分析，其成果具有理论意义，更有实用价值【5 】。 本课题以“5 0 m n 自由锻造水压机系统设计与研究”项目为依托。 1 5 本文研究的主要内容 本文在阅读大量文献的基础上，对各种阀门的使用和研究情况进行了 8 第1 章绪论 学习和归纳，提出了阀门的研究内容和主次目标。通过对进水阀和排水阀 内部流场的模拟，说明了商用c f d 软件应用于流体机械内部流场的模拟是 可靠的和可用的。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍水压机系统，阐述水压机关键零部件主分配器及进排水阀的工 作原理及其重要作用： ( 2 ) 介绍c f d 技术，了解c f d 在国内外大口径阀门中的应用，突出说 明c f d 研究方法的特殊优点； ( 3 ) 针对具体的水阀，建立数学模型，为水阀的设计提供理论支持； ( 4 ) n 用c f d 软件对特定型号的进水阀和排水阀进行流场的三维模拟 计算，通过变化不同的内部结构和尺寸来进行分析，达到内部压力均匀分 布出口速度均匀的目的，以改善阀门的品质和使用寿命。 设计指导思想如下： 控制旋涡，减小旋涡区，减小涡流的强度； 控制压力分布，使阀体受力更均匀，改善局部应力状态，提高阀门使 用的安全性： 最小绝对压力高于水的汽化压力，不产生汽蚀。同时，考虑阀的压力 损失，从水力学的角度对该阀进行了优化设计； 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章数值模拟相关理论及c f d 概述 2 1 数值模拟的概念 数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和 图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的 目的。 阀门内流场的数值模拟是研究阀门的重要方法。数值模拟可以对实际 装置的流动场进行计算，提供所需的整个流场内的有关数据，无需实验测 量，甚至可得到用实验方法不能得到的信息。有助于改变至今仍然还依靠 半经验和半理论方法对搅拌过程进行设计和放大的现状，同时也大大提高 设计优化的可行性。基于c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的方法使对各 种阀门流动场的研究迅速发展起来。不同阀门内流动场的数值模拟的工作 现已有许多报道。 在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。这 时分析人员己跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次 物理实验。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定 机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的 各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力 分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看 到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景， 与做实验没有什么区别。 从上面的例子可以看到，数值模拟包含以下几个步骤： 首先要建立反映问题( 7 - 程问题、物理问题等) 本质的数学模型。具体 说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这足数值 模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿型 流体流动的数学模型就是著名的n s 方程及其相应的定解条件。 1 0 第2 章数值模拟相关理论及c f d 概述 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算 方法。由于人们的努力，目前巳发展了许多数值计算方法。计算方法不仅 包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条 件的处理等。这些过去被人们忽略或回避的问题，现在受到越来越多的重 视和研究。 在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。实 践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问 题比较复杂，比如n s 方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值 求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个 意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出这部分工作决不是轻而易举 的。 在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数 值的图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一 样逼真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模拟的水平越来越 高，越来越逼真6 1 1 7 8 1 。 以上这些步骤构成了数值模拟的全过程，如图2 1 所示： 图2 - 1数值模拟的流程图 f i g 2 - 1 t h r e em e t h o d so ff l u i dm e c h a n i c sr e s e a r c h 1 1 燕山大学丁= 学硕士学位论文 2 2 数值模拟产生的背景及作用 1 6 世纪工业革命推动了自然科学的巨大发展，各种各样的自然规律被 发现。牛顿奠定了力学的理论和数学分析的基础；伽利略开创了实验研究 的范例。从此自然科学的研究在理论和实验两个方面得到了充分的发展。 理论研究在探索大自然的奥秘及其发展的基本规律中发挥了重要的作用。 实验研究则为理论研究提供了依据，并为揭示新的规律提供信息。这两种 方法一直相辅相成、互相促进，推动科学不断发展。 随着研究的不断深化和问题本身的复杂化，理论研究受到了限制。实 验研究同样也遇到了困难。电子计算机的产生和发展，使数值模拟这种研 究手段应运而生。流体力学的发展证实了这一点【9 l 。 理论流体力学从1 8 世纪至t j 2 0 世纪中叶有了非常巨大的发展。尤其是随 着航空事业的发展，人们早己在实验的基础上揭示了空气运动及其与飞行 器相互作用的一般规律，并建立了流体运动所遵循的足够普遍和精确的 n s 方程，以及适用于各种不同范围的一些近似方程，求得了一些可以简 化为线性方程及某些简单边界条件下的比较简单的解析解，及某一些简化 条件下的摄动解。 但由于n s 方程是非线性的，实际问题又比较复杂，因此精确解和摄 动解只能用于分析流场的某些基本特性和现象，很难用于实际工程。比如 一架飞机表面在飞行时的压力分布这类实际问题在飞机设计中十分重要， 但几乎不可能用解析法或摄动法得到，长期以来理论只能作估算，大量问 题还是靠风洞试验来解决。理论研究越来越不能满足实际问题的需要。 正是这个原因，实验流体力学得到了迅速的发展。从5 0 年代起各国都 十分重视实验设备的建设和实验技术的发展。为了对型号设计能直接提供 可靠数据，很多风洞都有较大的尺寸。与此同时，各种特种风洞也纷纷建 造起来，而且仍有发展和扩大的趋势。实验技术也飞速发展，如激光测速 技术、全息技术、各种新型传感器、流场显示技术，电子计算机的数据处 理技术等均有改善和提高，而实验费用也越来越昂贵，一架飞机的研制和 实验研究的耗费几乎按指数规律上升。 1 2 第2 章数值模拟相关理论及c f d 概述 实验研究无疑比较接近实际，但也有不足之处，比如洞壁、支架等干 扰是无法避免和消除的。对于十分复杂的流动，如非定常流、高温和有化 学反应流，气弹性变形流等都很难做实验，而且实验次数总是有限的，尺 寸相实验条件的改变困难大、周期长。因此单凭实验研究也不能完全满足 生产实际的需要。 由于高速电子计算机的出现，数值模拟这一手段使精确的空气动力设 计由理想变为现实。最近日本、美国等还在研究制造更大和更快的计算机。 除了超级巨型机的发展外，微处理机也有很大发展。由于计算机的发展， 一些问题用数值模拟比做实验在时间和费用上都省得多，如道格拉斯公司 对两个前缘形状不同的三元临界机翼的阻力特性分别进行计算和风洞试 验，所得结果相近，但实验花了两年，耗资6 0 万美元，而计算只花4 天，花 费1 万美元。 由于图形系统的出现和不断的完善，数值模拟的逼真性不断提高，它 完全可以作为流动研究的一个手段，部分地替代一些实验研究【l 们。 2 3 数值模拟的意义和局限性 由上述讨论可知，当问题本身遵循的规律比较清楚，所建立的数学模 型比较准确并为实践证明能反映问题本质时，数值模拟具有较大的优越性。 这是因为数值模拟具有耗费少、时间短、省人力等优点，便于优化设计， 比实验研究更自由、更灵活，并且还能对实验难以测量的量做出估计。 数值模拟的另一个特点是具有很好的重复性，条件易于控制，可以重 复模拟过程，这对湍流的数值模拟尤为重要。通过数值模拟还可以发现一 些新的现象，比如两个孤立波相互作用的一些特性就是通过数值模拟首先 被发现的。 由于数值模拟的优越性，所以得到越来越广泛的应用。不仅在航天航 空工业中，也在其他工业中得到广泛的应用，比如核工程设备的设计和优 化、水击分析、气轮机压缩机的设计与流场分析、石油输送管道的设计与 优化、近海工程的设计、分析和优化、天气预报、海浪和风暴潮的预报等， 都广泛应用数值模拟。 1 3 燕山大学丁学硕士学位论文 另一方面，数值模拟也有一定的局限性，面临不少问题。 首先是要有能够反映问题( 物理问题、工程问题) 本质的数学模型，即 建立反映问题所涉及的各物理量之间的微分方程及相应的定解条件。这不 是所有问题都能做到的。对于不少问题，在其机理尚未完全搞清楚之前， 数学模型很难准确化。比如高速水流的汽蚀现象、分层流界面的掺混问题、 多相流各相间的相互作用、非牛顿流体的本构关系、物理化学流动中的复 杂规律等。都难以用准确的数学模型加以描写，人们经常借助于各种半经 验性的模型，这就大大地影响了数值模拟的正确性和可靠性。 其次是数值模拟中对数学方程进行离散化处理时，需要对计算中所遇 到的稳定性、收敛性等进行分析，寻求高精度、高分辨率、高效率的计算 方法。这些分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程来说只有 启发性，没有完整的理论。对于边界条件影响的分析，困难就更大一些。 所以计算方法本身的正确与可靠也要通过实际计算加以确定。在计算过程 中有时还有一定的技巧性。因此为了验证计算结果的正确性，还必须与相 应的实验研究结果进行比较。 再次，数值模拟本身还受到电子计算机本身条件的限制，即计算机运 行速度和容量大小的限制。有些问题尽管己经有了成熟的数值模型，但是 完全实现模拟并不现实。湍流运动的数值模拟是一个典型的例子。它的数 学模型就是经典的n s 方程。但由于流动是不定常的、三维的，各种涡的 尺度变化很大，如果要详细描写湍流运动，至少需要在空间布置r e 9 4 个网 格点，计算r 啦r e 个时间步长，每个点有4 个变量( 最少的情况) ，可见计算 工作量之大是不现实的。因此为了能完全模拟湍流运动，还必须大力发展 计算机，同时还要努力改进计算方法，提高计算效率“1 1 2 l 。 总而言之，在强调数值模拟优越性的同时，也必须看到它的局限性， 应该把它放在适当的位置。它与理论分析、实验研究相辅相成，作为研究 流体流动的一个重要手段【i3 1 。在本文中，使用f l u e n t 软件对阀门内的三 维湍流流场进行了仿真和模拟。模拟了以下几种不同情况下的三维湍流流 场：卸压法内的流场，三种不同结构的进水阀内的流场，排水阀内得流场。 通过对不同结构的进水阀内流场的特性进行流动分析、数值计算，充分认 1 4 第2 章数值模拟相关理论及c f d 概述 识由于几何形状阀腔内流场的影响，为阀门的研究设计提供依据。 2 4 c f d 简介 流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，研究流体流动规 律的手段有三种：理论分析法、实验测量法以及数值计算法，他们三者之 问构成一个完整的体系，如图2 2 所示，表示了研究流体力学三大方法之 间的关系。 图2 2 流体力学三大研究方法 f i g 2 - 2 t h r e em e t h o d so ff l u i dm e c h a n i c sr e s e a r c h 2 4 1 计算流体动力学( c f d ) 简介与典型特点 2 4 1 1 计算流体力学( c f d ) 介绍计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s 简称c f d ) 足通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流 动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 的基本思想可以归结 为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场， 用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方 程组获得场变量的近似值【l ”。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能 量守恒方程) 控制下对流动进行的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以 得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、 浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、 空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机 械的转矩、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合，还可进行结构优化 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 设计等。所以一般对工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流 等的数值预测及工程应用一般简称为c f d 技术。c f d 技术总的来说是随 着计算机技术及数值计算方法的发展而形成的一门新兴的学科。 2 4 1 2 计算流体力学( c f d ) 的特点c f d 技术是一门新起的学科，有着 许多的独特的特点。流动问题的研究一直以来都是个难点，有很多的问题 都没有办法通过理论的方法来求得清楚的答案，这是因为描述流动问题的 数学模型特别的复杂，很多的情况下都是由非线性的偏微分方程来描述的， 加上所要研究的自变量也很多而且他们之间常常是耦合的。还有一个原因 就是流动的空间也就流场经常是复杂多变的，这就是说要求我们进行计算 的区域又是很复杂的，所以很难求的流场的解析解。而高速电脑出现以及 先进的计算方法的应用为解决这些问题提供了一个平台，也就是说c f d 技 术的一个特点就是解决了些理论分析中存在的难点，使流体力学的理论 分析和工程实际应用相结合。再者，c f d 在仿真计算的过程中只需要改变 所建立的模型或改变计算的条件如边界条件与初始条件的数值就可以改变 整个流动的情况，所以它的第二个特点就是节省了研究的时间和经费，减 短了研发的周期。另外，c f d 的研究有较多的灵活性，能给出详细和完整 的资料，很答易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只 能接近而无法达到的理想条件。对于一些高温，密封等特殊的不可见的内 部流场我们也可以用c f d 进行仿真得出直观可视化模拟出来。 总之，c f d 仿真技术在工程设计、开发中所起的独特作用如下： ( 1 ) 对已建工程的预测分析研究，指导改进。运用c f d 仿真技术对已 建工程中关键装置、设备进行直接的仿真预测分析，给出比较精细的研究 结果，通过对已经掌握的流场数据、经验数据、现场控制参数、现场可测 试参数的比较分析，来提高对c f d 技术的应用领域和标定c f d 技术的可 靠性，增加使用c f d 技术的经验。在此基础上进一步预测分析各种改进设 想的可行性及改进后的效果，让改造带来的风险降到最低。 ( 2 ) 对新开发装置的预分析研究，指导开发与设计。针对具有一定使用 目标的新型装置或设备，提出创意后，先采用c f d 技术进行预测分析，优 化结构参数，再对优选结果进行必要的模型实验研究，然后再检验实际应 1 6 第2 章数值模拟相关理论及c f d 概述 用上的可行性”。 本文主要运用c f d 三维流场的仿真过程，对于一维、二维的流场我们 也可以通过一样的方法进行求解。这个过程我们可以自己应用高级编程语 言编制适用于所研究流场的计算程序，也可以借用商用c f d 软件进行分 析，本课题的流场分析就是建立在应用商用软件f l u e n t 基础上的。下面 我们介绍c f d 软件的通用结构，一般的c f d 软件是由：前处理器、求解 器以及后处理器三大部分组成。 前处理器( p r e p r o c e s s o r ) 用于完成前处理工作。前处理环节是向c f d 软 件输入所求问题的相关数据，该过程一般是借助与求解器相对应的对话框 等图形界面来完成的。一般来说，前处理可以分为物理模型的建立、对物 理模型的离散化处理以及边界条件的设定等几个方面。比方说g a m b i t 就是一个专门为f l u e n t 软件设计的前处理软件包。 求解器( s a l v e r ) 的核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限 差分、有限元、谱方法和有限体积法等。总体上讲，这些方法的求解过程 大致相同。如叶轮机械优化设计软件n u m e c a 中的求解器就是f i n e 中 心模块。 后处理器( p o s t p r o c e s s o r ) 它的目的是有效地观察和分析流动计算结 果。随着计算机图形功能的提高，目前的c f d 软件均配备了后处理器，提 供了较为完善的后处理功能，借助后处理功能，还可动态模拟流动效果， 直观地了解c f d 的计算结果。许多的软件都自己集成了一定的后处理能 力，但也有专业的后处理软件，比方说t e c p l o t 就是专门的后处理软件。 2 4 1 3 计算流体力学( c f d ) 的发展历史一直以来人类都没有放弃过对 大自然各种形象进行探索，很早以前人们就对流动、燃烧等自然现象进行 研究。早在一个多世纪以前科学家们的研究就有了成果。而对于流体力学 的数值模拟的研究却是开始于2 0 世纪6 0 年代以后。初始阶段是( 1 9 6 5 1 9 7 4 年) ，初始阶段的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的 理论问题，如模型方程( 湍流、流变、传热、辐射、气体一颗粒作用、化学 反应、燃烧等) 、数值方法( 差分格式、代数方程求解等) 、网格划分、程序 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进 行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。著名的研究 成果如p a t a n k a r 和s p a l d i n g 于1 9 6 7 年发表的描述外部绕流问题的抛物线 型偏微分方程的p s 方法，1 9 7 5 年推出的解决内流问题的s i m p l e 算法 等。另一方面，为了解决工程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开 始研究网格的变换问题，如t h o m p s o n ，t h a m s 和m a s t i n 提出了采用微分 方程来根据流动区域的形状生成适体坐标体系，从而使计算流体力学对不 规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在c f d 中形成了专门的研究 领域：网格形成技术。开始走向工业应用阶段是( 1 9 7 5 1 9 8 4 年) ，随着数 值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可， 如何在工业设计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨c f d 在 解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。同时，c f d 技 术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、 非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。但是，这些研究都需要建立在具有 非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自己使用， 新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的