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基于COMSOL液压节流阀内部流场数值模拟研究王海冰;王攀达;李文华;张子耀;李贝贝;刘秀梅【摘要】针对不同开度下U型节流阀内部流场的变化,基于软件COMSOL Multiphysics建立CFD数值计算模型,得到了节流阀内部流场的速度、压力分布等随着阀口开度变化的特性云图.研究结果表明:节流口处压力下降梯度较大,并出现局部低压区.阀内流体速度在经过阀口处急剧变化,阀口附近流速达到最大,并沿流体流动方向形成一个空心锥形高速射流区域.即流体出口端射流出射方向倾斜指向出口,另一过流面中流体出射方向指向阀座,并沿阀体壁面流动.此外,随着阀口开度减小,阀口处速度大小和阀口附近压力几乎不变,但是节流口流体出射方向角度变大.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】4页(P26-29)【关键词】节流阀;COMSOL;流体流动;射流【作者】王海冰;王攀达;李文华;张子耀;李贝贝;刘秀梅【作者单位】中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TH137引言节流阀在液压系统中起到流量控制等重要作用。
但是当阀内流体与过流部件发生高速相对运动时，极易产生空化现象，破坏流体的连续性，使流场特征更加复杂，并影响节流阀的使用性能和寿命[1]。
此外，空化形成的气泡在流经压力恢复区时，会发生溃灭，引发诸如材料损伤、振动、噪声等问题[2]。
因此，对节流阀内部流动特性开展相关研究对节流阀的优化设计具有重要的理论意义。
随着液压技术的兴起、液压技术自身发展需求和流场仿真及检测技术的提高，针对液压元件及系统开展更多深入研究是一种发展趋势。
单向轴流式涡轮的流固耦合分析与优化设计引言单向轴流式涡轮是一种常见的涡轮机械装置，广泛应用于各个行业中。
其工作原理是通过流体的压力差来驱动涡轮转动，产生功效。
本文将对单向轴流式涡轮的流固耦合进行分析与优化设计，以提高其性能和效率。
一、单向轴流式涡轮的结构与工作原理单向轴流式涡轮由进口导叶、扩压腔、转子轮盘、出口导叶等组成。
液体通过进口导叶进入扩压腔，由于压力差的存在，液体会加速旋转并将动能转化为机械能，最终从出口导叶排出。
二、流固耦合分析1. 流场分析在单向轴流式涡轮中，流体通过导叶和转子轮盘之间的空隙流过。
流体在这个过程中会发生压力和速度的变化，需要进行流场分析以了解流体在涡轮内的流动行为。
通过数值模拟方法，可以建立单向轴流式涡轮模型，并使用Navier-Stokes方程求解流体的流动情况。
通过分析流场的速度、压力分布，可以获得涡轮内部流体的特性参数，如流速、压力等。
2. 结构强度分析单向轴流式涡轮的结构强度对其性能和寿命影响重大。
在涡轮运行过程中，受到流体的冲击和转矩的作用，涡轮叶片和轴承等部件会承受很大的载荷。
通过有限元分析方法，可以对涡轮结构进行强度分析。
通过建立涡轮的有限元模型，应用载荷条件，可以得到涡轮叶片和其他关键零部件的应力、应变等参数，进而评估其结构的强度和稳定性。
3. 热力学分析单向轴流式涡轮在工作过程中会产生热量，热传导和热辐射现象会对涡轮性能产生不利影响。
通过热力学分析，可以预测涡轮的工作温度和热量传递情况。
通过建立热传导模型和辐射模型，可以计算涡轮在运行过程中的温度和热负荷分布情况，并对其进行优化设计。
三、优化设计为了提高单向轴流式涡轮的性能和效率，可以进行优化设计。
以下是一些常用的优化方法：1. 材料选择优化：选择合适的材料可以提高涡轮的强度和稳定性。
通过对不同材料的力学性能和热传导性能进行分析，选择最适合的材料。
2. 结构参数优化：调整涡轮的几何参数可以改变其流场特性，从而提高流体的流动效果。
充液容器流固耦合模态仿真分析研究
薛杰;何尚龙;杜大华;李锋
【期刊名称】《火箭推进》
【年(卷),期】2015(041)001
【摘要】主要介绍目前容器类流固耦合模态分析最常用的两种计算方法:声固耦合法及虚拟质量法.从理论上分别对这两种方法进行分析,并指出它们之间的联系与区别:虚拟质量法采用了声固耦合法在不可压缩流体情况下的形式,并有所改进,即流体的作用完全由虚拟质量阵来体现,而流体的虚拟质量阵则通过具有解析解性质的边界元法获得.最后,通过开口方槽干状态、湿状态的无阻尼模态仿真分析研究,揭示出流体对结构模态特性影响的变化规律,同时指出了两种方法(虚拟质量法、声固耦合法)对结构湿模态计算结果有规律性的差异:随着振动频率的升高,不仅容器内流体对结构模态特性的影响在减小,分析湿模态的两种方法所得到的计算结果之间的差别也在逐渐减小.
【总页数】8页(P90-97)
【作者】薛杰;何尚龙;杜大华;李锋
【作者单位】西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100
【正文语种】中文
【中图分类】V434-34
【相关文献】
1.基于ANSYS的含液容器流固耦合模态分析 [J], 王华;曹刚
2.基于多物理场的管道强度与模态分析（一）充液异径管的流固耦合分析 [J], 张杰
3.固着液滴的流固耦合模态仿真分析 [J], 石广丰; 霍明杰; 王子涛
4.基于仿真体系模态下的流固耦合场泵站出水塔动力响应特征分析研究 [J], 曹洋;王逸;邵雨辰
5.充液弹性管束流固耦合系统模态分析 [J], 郑继周;程林;杜文静
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涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究导言：涡轮机械是一类重要的能量转换装置，广泛应用于航空航天、发电和工业生产等领域。
在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合是一个重要的研究方向。
本文将探讨涡轮机械中流固耦合的分析方法和优化策略，以及其对涡轮机械性能的影响。
第一部分：流固耦合的基本概念流固耦合是指在涡轮机械中，流体和固体之间存在相互作用和相互影响的现象。
涡轮机械的工作原理是通过流体对叶片的冲击和推动，将流体的动能转化为机械能。
流体在经过叶轮时会对叶片施加压力和力矩，而叶片的形状和材料也会对流体流动产生影响。
第二部分：流固耦合分析方法在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合分析是不可或缺的一步。
目前常用的流固耦合分析方法主要有数值模拟和实验测试两种。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过建立涡轮机械的数学模型，利用计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等数值方法，对流体流动和固体结构进行模拟和计算。
数值模拟方法具有较高的计算精度和灵活性，可以快速预测涡轮机械的性能和优化方案。
2. 实验测试方法实验测试方法通过搭建实验装置，对涡轮机械进行实际测试和观测。
主要包括流量测量、压力测量和叶片振动等实验内容。
实验测试方法能够直接获取涡轮机械的性能参数和工作状态，但成本较高且受环境和设备的限制。
第三部分：流固耦合的优化策略流固耦合分析的目标是寻找涡轮机械的最佳设计和工作参数，以提高效率和可靠性。
在优化过程中，可以对叶轮的形状、材料和叶片间隙等关键参数进行调整。
1. 叶轮形状优化通过数值模拟和实验测试，可以对叶轮的形状进行优化。
优化的目标是使得流体在叶轮上的流动更加顺畅和均匀，减小流体对叶片的阻力和损耗。
2. 叶片材料优化叶片材料的选择对流固耦合分析结果和涡轮机械性能有着重要影响。
优化的目标是选择具有良好耐高温、抗腐蚀和高强度等特性的材料，以提高叶片的寿命和可靠性。
3. 叶片间隙优化叶片间隙是流体通过叶轮时产生的一种非理想流动状态。
基于LS-DYNA及FLUENT的板壳结构流固耦合分析基于LS-DYNA及FLUENT的板壳结构流固耦合分析本文采用ANSYS显示动力分析模块LS-DYNA及流场分析模块FLUENT，对水下的板壳结构运动及其界面的流固耦合现象进行了仿真分析。
流场计算得到的界面压强数据以外载荷的形式施加于结构表面，使其产生位移及变形；同时，结构的变化又进一步影响了流场的分布。
通过往复的双向耦合迭代，得到了板壳结构的动力学响应以及流场的分布情况。
仿真结果与试验结果的对比表明，此方法适用于解决兼有大位移及较大变形特征的流-固耦合问题。
1前言在自然界中，流-固耦合现象广泛存在于航空、航天、汽车、水利、石油、化工、海洋以及生物等领域。
很多实际问题中流体载荷对于结构的影响不可忽略；同时，结构的位移和变形也会对流场的分布产生重要影响。
例如各种水下运动机构都需要考虑这种现象。
板壳是基本的结构单元，研究其与流体相互作用的过程的仿真方法对水下结构的设计具有一定的指导意义。
文献利用ANSYS/LS-DYNA对板壳结构在水下爆炸冲击载荷作用下的动力学响应进行了仿真分析和试验研究，文献对窄流道中柔性单板流致振动引起的流-固耦合问题进行了数值模拟，但以上文献所进行的分析均为板壳结构处于约束状态下的平衡位置附近的振动耦合分析。
利用ANSYS静力学分析模块以及CFX或FLUENT等流体分析模块对有固定约束条件的板壳结构进行流-固耦合分析的实例已经很多，ANSYSWorkbench中也有这方面的耦合实例。
但是对于流体冲击引起结构的大位移以及较大变形的动力学分析目前还不完善，有待进一步的研究。
因此本文应用大型通用有限元分析软件ANSYS13.0中的显示动力分析模块LS-DYNA以及流体分析模块FLUENT，对受流体冲击作用下兼有大位移及较大变形的板壳结构的流-固耦合作用进行了仿真分析。
2有限元分析2.1问题描述本文针对板壳结构受流体冲击载荷作用下的动力学响应进行分析，主要研究板壳结构的运动时间历程、应力分布规律以及对流场分布的影响。
FluidSIM仿真软件在《液压与气动技术》实践教学中的应用随着科技的不断发展，仿真软件已经成为了现代化教学的重要工具之一。
在液压与气动技术的实践教学中，FluidSIM仿真软件的应用已经成为了教学过程中不可或缺的一部分。
本文将介绍FluidSIM仿真软件在液压与气动技术实践教学中的应用，并对其应用效果进行分析。
1. FluidSIM仿真软件简介FluidSIM是一款由FESTO Didactic GmbH & Co. KG开发的液压与气动技术仿真软件。
该软件可以模拟液压与气动系统的运行过程，包括元件的工作原理、系统的运行状态、故障诊断等。
FluidSIM具有直观的用户界面和丰富的元件库，使用户可以方便地进行系统设计、仿真与分析。
2. FluidSIM在实践教学中的应用2.1 实验设计在液压与气动技术的实践教学中，传统的实验设备往往受到空间、成本等方面的限制，难以满足学生对系统运行过程的直观理解。
而FluidSIM可以通过虚拟实验的方式，为学生提供更加直观、灵活的实验环境。
教师可以根据教学内容，设计相应的液压或气动系统，并将其导入到FluidSIM中进行仿真实验。
学生可以通过软件操作系统的开关、阀门、油泵等元件，观察系统的运行状态并进行实验数据的采集与分析。
2.2 教学辅助在实践教学中，FluidSIM还可以作为教学辅助工具，帮助学生更好地理解和掌握液压与气动系统的工作原理。
教师可以通过软件演示系统的工作过程，引导学生分析系统的运行特点，解释元件的工作原理。
FluidSIM还可以模拟系统的故障状态，帮助学生学习故障诊断与排除的方法。
液压与气动系统的实验验证通常需要投入大量的时间和物力，同时还存在安全隐患。
而FluidSIM可以通过软件仿真，实现对系统运行过程的监测与验证，不仅能够节约实验成本，还可以避免实验操作中的安全风险。
教师可以将实验数据与软件仿真结果进行对比，验证学生的实验成果，并及时进行指导与评价。
仿真分析液压卡紧现象1、仿真分析方法基于Fluent软件对液压卡紧现象进行仿真分析。
首先利用Inventor软件建立带有锥度的间隙密封卡紧模型，使用ICEM对模型流体域进行网格划分，最后采用Fluent对网格模型进行压力场仿真，对获取的数据进行分析计算，得到最优的间隙密封结构。
2、模型参数滑阀卡紧力仿真几何模型以阀芯、阀套间隙密封中流场为基型，采用三维模型的形式。
模型的基本参数为：密封长度为20mm，阀套的直径为20.05，阀心的大端直径为20.01，小端直径为20mm。
顺锥模型示意圈如图所示，其中1d 、2d 、0D 、e 别为小端直径、大端直径、阀套孔直径、偏心量，1P 、2P 为进出口压差，参数设置如前文所述。
将倒锥模型导入到Fluent 软件中。
滑阀间隙密封内部流场仿真分析结果如图所示，图1为阀总表面压力分布图，图2为模型上下对称面压力分布曲线。
由图可知，压力沿Ｘ轴从12Mpa 到2MPa 依次减小，由于仿真模型的偏屯、量是沿着Ｙ轴正方向，根据前文的理论分析可知，由于阀忘下对称面间隙高度小，压力下降慢，故下对称面的压力高于上对称面压力，与仿真结果一致，如图所示。
最终会产生一个使阀芯沿Ｙ轴负方向运动的力，使阀，芭对中。
在Fluent 中设置力监测器，得出阀芯沿Ｙ轴的受力为14.31N ，使阀巧对中。
因此，阀芯的顺锥模型有利于滑阀的对中。
倒锥模型与顺锥模型结构上基本相同，只是在阀芯的安装方向上有所不同，倒锥模型阀狂大端朝向高压进口腔。
将模型导入到Fluent中，边界条件与顺锥设置相同。
由图可知，压力在阀巧表面沿Ｘ轴方向依次减小，但是分布并不均匀，滑阀上对称面压降比上对称面的压降慢，在曲线上显示为上对称面曲线在下对称面曲线上方，两曲线形成一封闭区域，由公式可知，封闭区域对阀拉圆周表面积分即为阀巧卡紧力大小。
在Fluent中设置力传感器，监测得到阀孩受到的卡紧力为12.20N，方向沿着Ｙ轴正方向，最终会使阀总向阀孔底侧壁面移动，直到卡死。
基于流体-固体耦合的液压滑阀开启过程仿真分析与优化张胜;王强;何晓晖;高亚明;王新文【摘要】To improve the working capability of the spool during the opening process of hydraulic spool valve,a three-dimensional numerical model is established based on fluid-structure interaction theory and dynamic mesh technology,and the movement of spool under the action of driving force,spring force and flow force is simulated.The internal flow channel structure is improved in view of stress on spool.The objective functions of peak value of the maximum von Mises stress and flow force are set up through least squares fit and BP neural network,with four structural parameters of improved spool notches and convex being taken as the optimization object.The optimal values of four structure parameters of notches and convex platform are determined by using genetic algorithm.After optimization,the maximum von Mises stress is decreased by 22.0％,and the maximum flow force is decreased by 16.3％.Results show that the spool valve opening performance is obviously improved through the study of the optimization design of structural parameters of spool.%为改善液压滑阀开启过程中阀芯的工作性能,基于流体-固体耦合理论和动网格技术,建立滑阀开启过程三维流体-固体耦合数值分析模型,对阀芯在驱动力、弹簧力及液动力作用下的动作过程进行了模拟分析.针对阀芯受力分析结果,改进滑阀内部流道结构;以改进后阀芯槽口和凸台的4个结构参数为优化对象,利用最小二乘拟合和反向传播神经网络构建最大冯米塞斯应力与液动力峰值的目标函数,借助遗传算法确定了槽口和凸台的4个结构参数最优值.研究结果表明:优化后阀芯所受液动力和最大冯米塞斯应力的峰值分别减小了16.3％和22.0％;优化设计阀芯的结构参数可明显提高滑阀开启性能.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】8页(P608-615)【关键词】流体力学;液压滑阀;流体-固体耦合;动网格;遗传算法【作者】张胜;王强;何晓晖;高亚明;王新文【作者单位】解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TH137.52+1滑阀结构被液压系统的流量、方向和压力控制阀广泛采用，其开启过程中流场不稳定，会导致阀芯控制精度不高。
阀芯开启过程的动力学特征直接影响液压滑阀的控制性能，对于液压系统有着较大的影响。
考虑流体- 固体耦合的研究可追溯到19世纪初的机翼气动弹性问题[1]。
目前，流体- 固体耦合的研究主要集中于水轮机、冷却器盖[2-4]等，针对液压阀的研究并不多。
而对于液压阀阀芯的动态仿真大多是直接给定阀芯的开口度或阀芯的运动速度，并未考虑阀芯开启过程的瞬态受力情况和流体- 固体耦合的影响[5-6]。
因此，有必要对液压滑阀的阀芯及其开启过程进行重点研究，分析其瞬态受力情况并加以优化。
针对上述问题，借助流体- 固体耦合理论和动网格技术，以流体力学软件CFD-ACE+为平台，对液压滑阀开启过程进行流体- 固体耦合特性分析；针对分析结果，改进液压滑阀的内部流道结构并进行优化；建立优化后的模型，对优化结果进行仿真验证，并比较优化前后液压滑阀的开启性能。
1.1 几何模型液压滑阀通常由多个阀腔组成，基于相似性原理，用其中的一个阀腔就能说明滑阀内部流体的流动状态。
借鉴文献[7-9]的简化方法，归纳出具有共性的液压滑阀作为研究对象，其结构如图1所示。
在该滑阀阀芯的开启过程中，液压油的流动具有对称性，为提高计算效率，取流动区域和阀芯的一半作为研究对象，建立用于流体- 固体耦合分析的三维几何模型，如图2所示。
1.2 网格划分流体- 固体耦合会导致网格变形较大，出现三维瞬态流场解析发散的问题，单一的网格变形方法很难同时具有较大的网格变形能力和得到较高的变形质量。
为此，本文将弹簧法和超限插值法相结合，解决结构网格变形问题。
基于网格分块的思想，将计算区域分成16个网格块；采用弹簧连接不同网格块的角点，通过弹簧驱动各角点的变形；对于网格块内部节点，采用超限插值法将角点位移通过插值函数分布到网格块内部节点[10]；网格划分采用前处理软件GEOM实现；为更好地捕捉阀口处的流场变化，对阀口区域网格进行细化。
在大量试算的基础上，最终确定网格总数为95 252个。
其中，流域网格51 029个，阀芯网格44 223个，如图3所示。
2.1 动网格条件下的流场控制方程在网格运动过程中，流场内控制体将发生改变，一般采用积分形式来表示诸守恒方程：式中：ρ为液体密度；uf为流体速度；V为控制体体积；p为控制体压力；φ为通用变量，代表uf、V、p等求解变量；∂V为控制体体积V的边界；A为控制体截面积向量；ug为动网格变形速度；Γ为广义扩散系数，代表μ+μt、μ+μt/σk、μ+μt/σε，μ为动力黏度，μt为湍动黏度，k为湍动能，ε为湍流耗散率，σk是与k对应的Prandtl数，σε是与ε对应的Prandtl数；φ为通用变量梯度；Sφ为φ的源项。
2.2 流体- 固体耦合控制方程在流体- 固体耦合交界面处应力：式中：ΔFi为在i方向上的力(N)；ΔAi为在i方向的受力面积(m2)。
力平衡方程式中：σxx、σyy、σzz为应力分量；τxy、τxz、τyx、τyz、τzx、τzy为应变分量。
几何方程式中：ξxx、ξyy、ξzz为应变分量；u、v、w为x、y、z方向的速度分量；γxy、γyx、γzy、γyz、γxz、γzx为切应变分量。
本构方程式中：λ为泊松比；E为杨氏模量(GPa)。
3.1 流域参数入口压力取6.00 MPa，出口压力取0.15 MPa；液压油型号VG46，密度ρ=885 kg/m3，运动黏度ν=46 mm2/s，由于液压油压缩性很小，视为不可压缩流体；弹簧刚度80 N/mm；滑阀阀芯两端驱动压差1 MPa；采用k-ε湍流模型。
3.2 阀芯参数阀芯材料为45号钢。
密度ρs=7 850 kg/m3；杨氏模量Es=210 GPa；泊松比λs=0.3.4.1 阀芯运动情况分析阀芯的运动状态由驱动力、弹簧力及液动力共同决定，仿真得到的阀芯运动情况如图4所示。
图中点1为阀芯开启初期(t=0.42 ms)，点2为阀芯位移最大时(t=1.80 ms)，点3为阀芯位移达到稳态时(t=47.00 ms)。
从图4可知，液压滑阀开启过程中，阀芯位移存在一定的波动，最大位移达到1.49 mm，稳态位移为0.78 mm. 阀芯位移的波动会引起流量的波动，从而影响执行元件的运动状态；位移的波动也会产生振动和噪声，影响流场及阀芯瞬态受力情况。
液压滑阀阀芯稳态位移和稳态液动力的理论计算公式[11]为式中：D为流道直径，D=16 mm；xv为阀芯稳态位移(mm)；W为阀口的面积梯度(mm2/mm)；kt为弹簧刚度，kt=80 N/mm；F为滑阀阀芯所受的驱动力(N)；Fs为阀芯所受的稳态液动力(N)；Δp为滑阀进出口压差，Δp=5.85 MPa；Δpq为驱动压差，Δpq=1.00 MPa.联立(6)式，可以解得阀芯稳态位移xv=0.71 mm，稳态液动力Fs=-43.73 N.仿真得到的阀芯稳态位移xvf=0.78 mm，稳态液动力Fsf=-47.96 N. 比较理论计算与仿真计算结果，阀芯稳态位移和稳态液动力的误差分别为9.9%和9.7%，可以认为仿真计算结果与理论计算结果基本吻合，证明了仿真的可靠性。
误差的产生主要是因为在理论计算中稳态液动力采用经验公式求解，没有考虑内部结构不同及流场微观流动带来的影响。
4.2 流体- 固体耦合分析针对阀芯开启初期(t=0.42 ms，图4中点1)，最大位移(t=1.8 ms，图4中点2)，稳态位移(t=47 ms，图4中点3)，三维流体- 固体耦合仿真结果如图5所示，图中给出了液压滑阀流域的压力场、压力等值线分布以及液压滑阀阀芯所受的冯米塞斯应力分布。
其中，冯米塞斯应力是根据第四强度理论得到的一种当量应力，考虑了第1、第2和第3主应力。
冯米塞斯应力值越大的地方材料变形就越大，往往也是越容易受到破坏的地方，因而可以用来对疲劳、破坏等进行评价[12]。
从图5可以看出：1)在流场的A区域和B区域会产生负压，负压区域面积随着阀芯位移的增大而变大。
流场负压区是引起气蚀的主要原因，气蚀会导致阀芯产生气蚀破坏；2)在液压滑阀开启初期，阀芯应力集中于阀芯的1、2、3和4区域且四周对称分布。
当阀口位移较大后，应力集中于3和4区域。
阀芯在开启过程中所受最大冯米塞斯应力的大小和位置随时间变化情况如图6所示。
由图6可看出，最大冯米塞斯应力主要集中在1、2、3、4区域，在阀芯开启瞬间达到峰值。
4.3 液压滑阀结构优化分析为改善滑阀开启过程中阀芯受力情况，需减小阀芯所受的液动力(包括稳态液动力与瞬态液动力)和因流体- 固体耦合作用所产生的最大冯米塞斯应力。
现改进滑阀内部流道结构，在阀芯上增设凸台和槽口，新结构如图7所示。
图8分别给出了原结构、仅有凸台、仅有槽口和新结构阀芯在开启过程中最大冯米塞斯应力和液动力的变化情况。
