基于cfd方法的某液壓系統(tǒng)耦合仿真new

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1、萬方數(shù)據(jù)第30卷第1期2010年2月振動(dòng)、測(cè)試與診斷JournalofVibration，Measurement&DiagnosisV01．30No．1Feb．2010基于CFD方法的某液壓系統(tǒng)耦合仿真‘陳青，權(quán)龍(太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所太原，030024)摘要采用計(jì)算流體力學(xué)(computerfluiddynamic，簡(jiǎn)稱CFD)和液壓系統(tǒng)耦合的仿真方法，完成同時(shí)包含限壓閥內(nèi)氣穴現(xiàn)象以及整個(gè)液壓系統(tǒng)的在線耦合研究。研究過程、限壓閥內(nèi)氣穴現(xiàn)象以及閥的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，用CFD商業(yè)軟件FLUENT進(jìn)行仿真計(jì)算和流場(chǎng)可視化研究，而系統(tǒng)其他部分的計(jì)算運(yùn)用一維特征法，采用軟件MATLAB的SIMULI

2、NK模塊來實(shí)現(xiàn)。在線耦合仿真用兩臺(tái)并行運(yùn)算個(gè)人計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，仿真中必要的信號(hào)文件通過TCP／IP傳輸。耦合仿真的計(jì)算結(jié)果充分證實(shí)了所應(yīng)用耦合原理的可行性和有效性。關(guān)鍵詞計(jì)算流體力學(xué)耦合仿真特征法氣穴流場(chǎng)可視化中圖分類號(hào)TH137引言限壓閥是液壓系統(tǒng)中不可或缺的壓力控制元件。當(dāng)閥節(jié)流口處壓力降低到一定程度時(shí)，會(huì)引起氣穴、氣蝕現(xiàn)象，并伴有流體噪聲和振動(dòng)，通過分析閥出入口的壓差、閥內(nèi)流場(chǎng)特性，達(dá)到降低噪聲和能耗的目的，是液壓技術(shù)的重要研究方向之一。液壓閥內(nèi)的壓差傳統(tǒng)上是由理論計(jì)算或者經(jīng)驗(yàn)公式獲得?，F(xiàn)代流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展為計(jì)算液壓閥復(fù)雜流道內(nèi)的壓差提供了解決方法，可為流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，縮短

3、設(shè)計(jì)時(shí)間，減少試驗(yàn)費(fèi)用。文獻(xiàn)[1—2]用數(shù)字計(jì)算和試驗(yàn)方法對(duì)液壓錐閥和滑閥的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[3—4]應(yīng)用CFD數(shù)字建模和試驗(yàn)方法對(duì)基于文獻(xiàn)[5]氣穴原理的液壓閥內(nèi)氣穴現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究?；谝簤涸?nèi)的氣穴現(xiàn)象與動(dòng)態(tài)液壓系統(tǒng)相互影響、相互關(guān)聯(lián)的考慮出發(fā)，對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)和氣穴進(jìn)行CFD仿真和可視化分析，并將分析結(jié)果輸入用一維特征法研究的液壓系統(tǒng)中，用以分析對(duì)系統(tǒng)造成的影響。同時(shí)，液壓系統(tǒng)的反應(yīng)也會(huì)進(jìn)一步影響閥內(nèi)流場(chǎng)以及氣穴。通過這種原理和方法，研究了流場(chǎng)特性、氣穴和整個(gè)系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)影響。這不僅對(duì)單個(gè)元件流場(chǎng)分析提供了實(shí)際指導(dǎo)意義，還為液壓系統(tǒng)的在線耦合提供了可行的理論基礎(chǔ)。1離線耦合仿真

4、在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算之前，先進(jìn)行CFD數(shù)字計(jì)算和整個(gè)液壓系統(tǒng)仿真的離線耦合。此種離線耦合情況下的CFD數(shù)字計(jì)算要花費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間。假設(shè)條件為“外界”元件或系統(tǒng)和被研究元件的內(nèi)部流動(dòng)過程之間沒有相互作用，互不干涉。圖1為所研究的離線耦合液壓系統(tǒng)。此系統(tǒng)由液壓泵、液壓管路、限壓閥、測(cè)量噴嘴以及油箱等組成。圖1離線耦合液壓系統(tǒng)在圖1中，液壓泵產(chǎn)生動(dòng)態(tài)正弦流量，此動(dòng)態(tài)流量的常值部分為10l／min，交變部分頻率為100Hz，幅值為11／min。動(dòng)態(tài)正弦流量作為邊界條件之一，測(cè)量噴嘴進(jìn)行流量仿真。首先研究測(cè)量噴嘴的內(nèi)部流動(dòng)，然后將測(cè)量噴嘴入口和出口的壓差計(jì)算結(jié)果作為邊界條件并結(jié)合系統(tǒng)其他部分的

5、仿真，用一維特征法對(duì)離線耦合液壓系統(tǒng)完成計(jì)算。離線耦合的前提條件是：假定流體不可壓縮，流動(dòng)為動(dòng)態(tài)層流；選定HLP32礦物油作為壓力媒介；不考慮氣穴現(xiàn)象。圖2給出了測(cè)量噴嘴出口流速不同的對(duì)比計(jì)算結(jié)果。圖中顯示了分別使用商業(yè)軟件FLUENT和MATLAB／SIMULINK的不同計(jì)算結(jié)果。FLUENT計(jì)算的平均出口流量比MATLAB／SIMULINK的對(duì)應(yīng)計(jì)算值大8．58％，而且在這些仿真計(jì)算結(jié)果之間還有80。的相位差。圖3描述了測(cè)量噴嘴周圍的靜態(tài)壓力分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在噴嘴截面的中間位置，靜·國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：50675147)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2008011053)

6、收稿日期：2008—05—10；修改稿收到日期：2009—08—18萬方數(shù)據(jù)48振動(dòng)、測(cè)試與診斷第30卷態(tài)壓力值相對(duì)較低。●’∞●呂∑嘲斌口丑圖2測(cè)量噴嘴的出口流速方法。F．Ruediger等人L61提出了兩種耦合模式。圖4則說明了這兩種耦合模式。圖4(a)所示的模式中兩種仿真程序之間的數(shù)據(jù)交流和傳輸通過一個(gè)單獨(dú)的外部界面來完成。這兩個(gè)程序等步長(zhǎng)并列運(yùn)行，可以用不同的計(jì)算機(jī)在不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。在圖4(b)中，系統(tǒng)仿真被結(jié)合進(jìn)CFD程序中。為了確保圖4(b)模式中在線耦合的計(jì)算穩(wěn)定性，必須對(duì)這兩個(gè)軟件內(nèi)部程序有深度了解，需要在軟件工程師的協(xié)助下才可能實(shí)現(xiàn)，本文使用圖4(a)的耦合模式。露

7、蘑圖3噴嘴周圍靜態(tài)壓力2．3邊界條件2在線耦合仿真當(dāng)“外部”元件或系統(tǒng)對(duì)某一液壓元件的內(nèi)部流動(dòng)有影響，尤其在高頻率或者非?？斓乃矐B(tài)過程時(shí)，有必要進(jìn)行在線仿真。用不同仿真工具進(jìn)行“在線耦合”的難點(diǎn)在于時(shí)域分析。本項(xiàng)液壓系統(tǒng)耦合仿真研究中，CFD模型考慮了限壓閥中的氣穴現(xiàn)象，并且運(yùn)用簡(jiǎn)化特征建模方法描述了氣穴現(xiàn)象和整個(gè)被分析的液壓系統(tǒng)之間的相互作用和影響。2．1耦合目的在線耦合仿真的目的在于連接液壓、