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调节阀内三维流动与启闭过程的数值模拟及分析

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上海理工大学学报 2005年第6期27卷 498-502页

作者：石娟姚征马明轩上海理工大学动力工程学院上海200093 吴忠仪表股份有限公司宁夏751100

运用计算流体力学方法(CFD)对调节阀的定常与非定常水力特性进行了数值模拟．定常模拟得到各种开度下的三维流场分布以及压降与流量的特性曲线,特性曲线与试验结果相吻合．非定常计算模拟了阀门开启和关闭过程中流动特性的变化,得到流... 详细信息

运用计算流体力学方法(CFD)对调节阀的定常与非定常水力特性进行了数值模拟．定常模拟得到各种开度下的三维流场分布以及压降与流量的特性曲线,特性曲线与试验结果相吻合．非定常计算模拟了阀门开启和关闭过程中流动特性的变化,得到流量和阀芯轴向力随时间变化曲线,并对启闭速度的影响进行了分析．

关键词： CFD数值模拟调节阀流量特性启闭过程

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人工机械心瓣启闭过程的ALE有限元分析

应用数学和力学 1996年第5期17卷 387-396页

作者：张建海陈大鹏邹盛铨西南交通大学计算工程科学研究所四川联合大学工程力学系

本文采用任意拉格朗日－欧拉（ＡＬＥ）有限单元法，将血液视为不可压缩粘性流体，同时将人工机械瓣简化为定轴转动刚体，建立了机械心瓣－血液耦合运动二维计算模型，解决了人工机械瓣启闭过程的计算问题．对Ｓｔ．Ｊｕｄｅ瓣启闭过程... 详细信息

本文采用任意拉格朗日－欧拉（ＡＬＥ）有限单元法，将血液视为不可压缩粘性流体，同时将人工机械瓣简化为定轴转动刚体，建立了机械心瓣－血液耦合运动二维计算模型，解决了人工机械瓣启闭过程的计算问题．对Ｓｔ．Ｊｕｄｅ瓣启闭过程的数值分析表明：１．Ｓｔ．Ｊｕｄｅ瓣启闭过程包括四个阶段，即：Ⅰ．开启相；Ⅱ．开启保持相；Ⅲ．关闭相；Ⅳ．关闭保持相．２．Ｓｔ．Ｊｕｄｅ瓣关闭时回流明显，伴有显著水击效应．３．在启闭过程中，高剪力区位于两瓣叶间及瓣环附近．本文的研究突破了以非耦合的方法研究心瓣启闭过程的局限性．

关键词：人工瓣膜 ALE有限元启闭过程有限元

两种人工机械心瓣启闭过程的ALE有限元分析

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应用数学和力学 1996年第4期17卷 287-296页

作者：陈大鹏张建海西南交通大学工程科学研究所

本文采用任意拉格朗日－欧拉（ＡＬＥ）有限单元法，将血液视为不可压缩粘性流体，同时将人工机械瓣简化为定轴转动刚体，建立了机械心瓣／血液耦合运动的二维计算模型．在此基础上．计算了顺向人工机械瓣（ＤＤＭ）的开闭过程，并与Ｓ... 详细信息

本文采用任意拉格朗日－欧拉（ＡＬＥ）有限单元法，将血液视为不可压缩粘性流体，同时将人工机械瓣简化为定轴转动刚体，建立了机械心瓣／血液耦合运动的二维计算模型．在此基础上．计算了顺向人工机械瓣（ＤＤＭ）的开闭过程，并与Ｓｔ．Ｊｕｄｅ瓣（ＳＪＭ）进行了对比．由本文研究可得以下主要结论：１．ＤＤＭ瓣与ＳＪＭ相比，开启较为迅速，关闭则较为柔和．２．ＤＤＭ瓣的峰值回流量较之ＳＪＭ瓣小．本文研究表明ＤＤＭ瓣由于更好利用了天然心瓣的关闭机理，而具有较高的耐久性潜力．

关键词：人工瓣膜 ALE有限元启闭过程有限元

多路阀主阀口流量控制特性及液控单向阀启闭过程的研究

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多路阀主阀口流量控制特性及液控单向阀启闭过程的研究

作者：陆海娇兰州理工大学

学位级别：硕士

非全周开口滑阀是液压阀的基本结构形式之一,广泛用于工程机械液压主控制阀中。通过合理配置节流槽可实现对流量的多级节流控制,从而得到丰富的多级阀口面积曲线,用于不同工况下液压缸或液压马达对运动速度的要求。非全周开口滑阀阀口... 详细信息

非全周开口滑阀是液压阀的基本结构形式之一,广泛用于工程机械液压主控制阀中。通过合理配置节流槽可实现对流量的多级节流控制,从而得到丰富的多级阀口面积曲线,用于不同工况下液压缸或液压马达对运动速度的要求。非全周开口滑阀阀口流量特性是高品质液压控制阀设计的关键环节。本文针对挖掘机主控制阀KVMG270,首先对其主阀芯上存在的新型节流槽（UX、 X、J、O、UU1、UU2形节流槽）进行了阀口面积公式的推导以及程序的编写,分析了新型节流槽阀口面积变化特点,并对主阀芯上中位回油阀口,进出油阀口进行了阀口面积计算,得到主阀芯位移±10mm时的阀口面积变化曲线,总结了阀口面积配置原则。其次对该阀P1阀体上主阀芯的各个阀口流量系数进行计算,运用数值解析方法得出中位回油阀口,进出油阀口的流量系数,总结其变化规律,并且计算磨损后阀口流量系数,分析磨损前后流量系数变化特性。最后运用参数“阀口流量面积”分析该阀的流量控制特性。液控单向阀是平衡回路中的关键元件之一,广泛应用于现代工程机械中,尤其在起重机械中。液控单向阀的性能优劣直接影响平衡回路中负载的上升、定位及下降动作。实际工况中,容易出现换向阀换至中位时,液控单向阀不能立即关闭,导致油缸继续下滑,造成执行机构定位不准确。本文对atos的AGRL-32液控单向阀进行了建模,并建立带有该阀的平衡回路AMESim仿真模型,仿真计算最终获得液控单向阀在特定工况下的动态响应曲线。针对平衡回路中出现的油缸下滑现象,分析了液控单向阀主阀芯,卸荷小阀芯,控制活塞的复位弹簧对液控单向阀启闭特性的影响,并找到原因,得到解决办法。本论文的主要内容如下：第一章,概述了本课题研究背景及意义;阐述了非全周开口滑阀阀口面积和流量系数计算的研究现状和存在的问题;概述了平衡回路中液控单向阀存在的问题。综述了本论文的主要研究内容。第二章,针对挖掘机主控制阀KVMG270,对其主阀芯上存在的新型节流槽进行阀口面积公式推导和编程,再对主阀芯上各个阀口进行阀口面积计算和分析,最后总结出阀口面积配置原则。第三章,针对KVMG270的P1阀体上主阀芯各个阀口进行流量系数计算,运用流场仿真技术进行阀口流量压差特性仿真试验,得出阀芯位移±10mm时各口流量系数曲线,总结流量系数变化规律。并且计算阀口磨损后的流量系数,比较磨损前流量系数,分析其变化特性。最后运用“阀口流量面积”的概念进行阀口流量特性分析。第四章,对液控单向阀在实际应用中存在的问题进行仿真与分析。运用AMESim软件对atos的AGRL-32液控单向阀进行了建模,并建立带有该阀的平衡回路的AMESim仿真模型并进行仿真,得到液控单向阀在设定工况下的动态响应曲线。针对系统中油缸下滑现象,仿真分析了液控单向阀主阀芯、卸荷小阀芯、控制活塞的复位弹簧对液控单向阀启闭特性的影响,找到原因并得到解决办法。第五章,总结对该论文的研究工作和研究成果,展望了今后的研究工作。

关键词：多路阀节流槽阀口面积流量系数液控单向阀启闭过程计算与仿真

核电止回阀启闭过程中的复杂流及结构特性研究

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核电止回阀启闭过程中的复杂流及结构特性研究

作者：刘梦瑶江苏大学

学位级别：硕士

对于运行于一般工业流程中的止回阀,对其运行特性和内部流动的了解已较为充分。然而,对于满足高温高压工况要求的止回阀,研究工作鲜见报道。本文以一核电止回阀为研究对象,深入分析其内部复杂流动特征,尤其是在阀门启闭过程中的非定常... 详细信息

对于运行于一般工业流程中的止回阀,对其运行特性和内部流动的了解已较为充分。然而,对于满足高温高压工况要求的止回阀,研究工作鲜见报道。本文以一核电止回阀为研究对象,深入分析其内部复杂流动特征,尤其是在阀门启闭过程中的非定常流动特征;考虑到阀门关键部件的安全性和运行稳定性,本文对阀门启闭过程中的结构特性进行研究。本研究拟解释极端工况下阀门内的流动机理,也为阀门的设计与安全运行提供参照。本文的主要研究工作及结论如下:(1)高温高压工况下核电止回阀安全性能分析借助商用计算流体动力学软件ANSYS Fluent对核电止回阀开启过程中的流动进行非定常数值模拟,获得阀门流道内的压力和速度分布;借助流固耦合方法对阀门关键部件进行受力及变形分析,进而评估止回阀的安全性能。研究结论:阀门开启初期,其入口的流速较低,出口管内高速与低速区域共存。阀芯下方的高压积聚加剧了阀芯受力的不平衡。阀门入口管及出口管内形成了明显的旋涡。随着阀门的开启,入口管内流速升高,而出口管内流速高于入口管。入口管内的压力随着阀门开度的增加逐渐降低,同时出口管内压力略降,且压力波动明显。阀芯在阀门开启初期产生了明显的扭曲变形;随着阀门的开启,变形量减小,扭曲程度降低。阀门反复开启增加了阀芯疲劳破坏的风险。(2)核电止回阀动态启闭过程中内部流动研究运用ANSYS Fluent软件模拟止回阀在启闭过程中的三维流动,获得阀门启闭过程中各个开度条件下的压力与速度分布,描述阀门动态启闭过程中的流动特征。研究结论:阀门开启过程中,入口及出口流速均随开度增加而显著增加,喉部及出口管内出现高速区;入口管内压力随开度升高明显降低,出口管内压力不受开度变化的影响,但压力波动明显;阀门入口及出口管内均出现局部低压区。阀门关闭过程中,入口管与阀芯接触区域出现低速滞止区域且产生高压积聚现象,阀芯下方出现高速射流区及负压区;入口管内流速随阀门开度减小而降低,入口管内压力增加,出口压力基本保持恒定。(3)阀门启闭过程中关键部件的力学与结构分析借助结构分析软件ANSYS Workbench中的流固耦合模块对止回阀启闭过程中不同开度条件下的关键部件结构特性进行分析,将数值模拟得到的流体压力分布作为载荷加载到阀门的过流部件上,计算得到部件内的受力和变形分布。研究结论:在阀门开启过程中,阀体的最大变形量集中在喉部;随着开度的变化,阀体的变形量呈现波动趋势,阀芯的最大变形量出现在靠近阀门入口管的一侧。在阀门关闭过程中,阀体的最大变形量出现在入口管下侧区域,阀芯的最大变形量出现的位置随着开度不同而变化,阀体与阀芯的变形量随开度变化呈现波动状态且变化趋势一致。在阀门启闭过程中,阀芯的最大等效应力均出现在与弹簧接触区域,且最大等效应力均小于材料许用应力,满足安全要求。

关键词：核电止回阀启闭过程流动特性流固耦合变形应力

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球阀启闭过程瞬态数值模拟与试验研究

球阀启闭过程瞬态数值模拟与试验研究

作者：韩勇江苏大学

学位级别：硕士

球阀具有结构简单、启动力矩小及密封性能好等突出优势,广泛应用于工业和生活的多个领域,在阻断设备与管道系统、调节管路流量、防止逆流及控制流向等方面发挥着重要作用。当球阀采用V形阀芯通道结构时,兼备等百分比流量调节的作用,对... 详细信息

球阀具有结构简单、启动力矩小及密封性能好等突出优势,广泛应用于工业和生活的多个领域,在阻断设备与管道系统、调节管路流量、防止逆流及控制流向等方面发挥着重要作用。当球阀采用V形阀芯通道结构时,兼备等百分比流量调节的作用,对管路流量的大小可实现精准调节。研究V形球阀启闭过程阀门内部流动规律,分析球阀关闭引起的水击压强变化,有利于完善球阀设计方法并提高球阀的运行可靠性。本文基于流体阻断试验与数值模拟相结合的方法,对核电用大型球阀启闭的瞬态过程和球阀在不同关阀时间、不同关阀方式下引起的水击现象进行了系统研究。本文的主要研究内容及取得的研究成果如下:(1)基于斯坦福大学发布的U形弯管中的湍流问题,采用计算流体力学方法对四种常用湍流模型及Wray–Agarwal湍流模型在弯管流动中的适用性进行了对比研究。结果表明:SST k-ω和Wray–Agarwal湍流模型相对于标准k-ε、RNG k-ε、和Spalart-Allmaras湍流模型在弯管中的数值模拟结果与试验数据更为接近,为球阀瞬态数值仿真的湍流模型选择提供了参考。(2)基于不同驱动电压(323V、380V、418V),分别对核电用H2Q947Y-25P(DN350)型电动球阀启闭过程开展了流体阻断试验,对试验数据进行了统计处理,并讨论和分析了试验结果。结果表明:基于不同驱动电压的球阀启闭过程,重复三次测量得到的流量时程和阀门前后压差时程曲线重复性较高,证实试验回路系统稳定、测量系统和测量结果可靠性较高。通过计算确定了压差等试验数据的测量标准不确定度。利用MATLAB软件将试验散点数据拟合成曲线方程,确定了球阀数值模拟的边界条件。(3)基于滑移网格及变边界条件的方法,对球阀瞬态启闭过程进行了数值模拟,研究了球阀开启和关闭过程中进出口压差及流阻特性随相对开度的变化规律,分析了球阀启闭过程不同开度下、不同截面位置的速度分布、流线分布、压力分布及阀芯内部涡核形态的发展规律。结果表明:球阀启闭过程中,球阀进出口压差、流阻系数随相对开度变化的数值模拟曲线与试验曲线基本重合,且其值与球阀相对开度大小成反比例关系。球阀启闭过程中,球阀相对开度越小,阀芯流道内涡核形态越复杂;在相同开度下,球阀启闭过程中阀芯流道内涡核形态差异不大。通过数值模拟获得了球阀内部流场的分布,揭示了球阀压差及流阻特性与相对开度的变化规律,为球阀的优化设计提供了理论依据。(4)基于滑移网格及Fluent-Expression编辑器控制转速的方法,分析了不同关阀时间和关阀方式对水击现象的影响,并提出了有效防护水击的措施。结果表明:基于匀速关阀,关阀时间越长引起的最大水击压强越小,适当延长关阀时间有利于减小水击带来的危害。匀速关阀在几种不同关阀方式中引起的最大水击压强最小,而线性匀减速关阀在增高最大水击压强的同时降低了水击波波动时间。

关键词：球阀启闭过程数值模拟试验研究水击现象

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液氢球阀启闭过程中流动规律及空化特性研究

液氢球阀启闭过程中流动规律及空化特性研究

作者：王威华中科技大学

学位级别：硕士

液氢储运目前在大规模、远距离的氢能储运方面具有明显的优势,液氢球阀作为液氢储运系统的关键部件,在控制液氢流量、压力、流向等方面起着重要的作用。在液氢球阀的启闭过程中,阀门开度的变化极易导致其内部的低温液氢介质在流经阀门... 详细信息

液氢储运目前在大规模、远距离的氢能储运方面具有明显的优势,液氢球阀作为液氢储运系统的关键部件,在控制液氢流量、压力、流向等方面起着重要的作用。在液氢球阀的启闭过程中,阀门开度的变化极易导致其内部的低温液氢介质在流经阀门时出现空化现象,影响阀门和管道的性能及可靠性。本文基于Mixture多相流模型和修正过后的Zwart-Gerber-Belamri空化模型,结合滑移网格技术,研究了液氢球阀启闭过程中的流动规律和空化特性,揭示了不同运行工况和阀芯结构参数对流道内空化特性的影响规律。本文具体研究内容如下:建立了液氢球阀启闭过程中的数值模型,研究了不同开度下启闭过程中内部流动规律,揭示了启闭过程中空化现象发生的机理,分析了压力、速度、流量流阻系数、气体体积分数等随阀芯开度的变化规律。研究表明关闭过程中流道内的空化现象要比开启过程更加严重,并且会形成更长的空穴流。在特定工况下,分别研究了阀门入口压力和阀芯关闭速度对于液氢球阀关闭过程中空化特性的影响规律。结果表明,减小阀门的入口压力能够降低流道内的空化现象。对于阀芯关闭速度而言,在关闭过程中可采用先快后慢的方式降低流道内的空化现象。通过改变阀芯出口面积和阀芯流道结构,研究了液氢球阀关闭过程中阀芯结构参数对流道内空化特性的影响,得到了不同结构下流道内气体体积分数、温度和能量损失的变化规律。研究发现,增大阀芯出口面积能够降低流道内的空化现象,此外O型流道结构具有最小的流阻系数,而缩径流道结构对于液氢球阀的抗空化效果最好。

关键词：液氢球阀启闭过程流动规律空化特性阀芯结构

固定球阀硬密封面在启闭过程中接触应力的数值模拟分析

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固定球阀硬密封面在启闭过程中接触应力的数值模拟分析

作者：李金晓兰州理工大学

学位级别：硕士

球阀因具有结构紧凑、易于操作、适用范围广、流阻系数小等优点,近些年来被广泛应用于煤化工、航空航天、核工业、交通运输等领域。金属硬密封固定球球阀作为球阀一种,因其密封面两侧的阀座与球体都为硬度较高的金属,可以承受较高的使... 详细信息

球阀因具有结构紧凑、易于操作、适用范围广、流阻系数小等优点,近些年来被广泛应用于煤化工、航空航天、核工业、交通运输等领域。金属硬密封固定球球阀作为球阀一种,因其密封面两侧的阀座与球体都为硬度较高的金属,可以承受较高的使用压力与温度,同时又具有良好的密封性与耐磨性,从而使得该类球阀能够在高温、高压、介质中含固体颗粒等苛刻工况下工作。在工业生产中,硬密封固定球球阀也存在着许多问题。其中主要问题为球阀启闭过程中,密封面间局部接触应力过大导致球面和阀座密封面发生磨损,进而导致密封的失效使得球阀发生泄漏。目前,对于这一问题,国内外主要研究方向在改进密封结构和提高密封面材料的耐磨性上。而通过分析接触面接触应力与摩擦机理来进行摩擦磨损的研究较少。同时,由于利用实验测量接触应力方法难以实施,因此采用软件模拟计算的方法来分析接触面间的接触应力与摩擦切应力显得尤为重要。本文通过有限元分析软件,结合非线性接触理论,对硬密封固定球球阀在启闭过程中的接触应力进行了数值模拟,主要研究内容有以下几个方面:以CLASS900三片式硬密封固定球球阀为研究对象,通过Solidworks软件建立硬密封固定球球阀的三维模型。结合三维模型建立数学方程,求解得到球阀启闭过程密封面间的接触面积随球阀开度的变化趋势,并得到理论接触面积最小值所对应的球阀开启角度为68.90°。利用ANSYS Workbench软件中的瞬态动力学模块,对无介质时的硬密封球阀的启闭过程进行接触应力计算。得到了无介质时球阀启闭过程接触应力的分布规律和最大接触应力。该应力所对应的球阀开启角度为75°,关闭角度为15°。启闭过程最大接触应力数值相接近,分布规律互为对称。通过动网格分析模块对球阀启闭过程流体压力的变化进行数值模拟。得到高压侧阀座两端流体压力的变化趋势。通过将介质力与阀座预紧力叠加,得到球阀启闭过程中介质力及阀座预紧力对阀座总载荷的变化趋势与大小。利用ANSYS Workbench软件的瞬态动力学分析模块,分析在常温工况下,有流体介质载荷时球阀启闭过程密封面间接触应力的变化趋势。得到常温有介质条件下球阀启过程接触应力的分布规律,该规律与无介质时相似,最大值对应的开启角度为78°,关闭角度为12°。以300℃的定温工况为例,分析高温载荷下,球阀启闭过程接触应力的变化。得到硬密封球阀高温有介质条件下启闭过程接触应力的变化规律,该变化规律与常温时相似,最大接触应力对应的开启角度为77°,关闭角度为13°。

关键词：球阀硬密封接触应力开启角度启闭过程

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某车型旋转式车门启闭过程分析及优化

汽车实用技术 2021年第18期46卷 80-82页

作者：张林涛李旭杨富凯陕西保利特种车制造有限公司陕西西安710200

部分车辆载员较多且对上下车时间有限制,为保证上下车便捷,部分车辆采用旋转式车门。旋转式车门多数采用定速伸缩缸驱动车门启闭,该结构不能避免车门启闭过程运动不平顺,导致车门运动速度难以调整,运动冲击较大,使用感受较差。文章对某... 详细信息

部分车辆载员较多且对上下车时间有限制,为保证上下车便捷,部分车辆采用旋转式车门。旋转式车门多数采用定速伸缩缸驱动车门启闭,该结构不能避免车门启闭过程运动不平顺,导致车门运动速度难以调整,运动冲击较大,使用感受较差。文章对某车型旋转式车门启闭过程通过运动过程模拟、图表分析等方法进行分析并对该车门结构进行优化设计,以求减小运动冲击获得更好的使用感受。通过结构优化,该车型旋转式车门最大角加速度降幅达98%,该车门启闭过程平顺,使用感受良好。

关键词：旋转式车门启闭过程运动冲击结构优化