高压隔膜泵单向阀阀隙流场的冲蚀磨损特性分析

目的 探究高压隔膜泵单向阀阀隙流场冲蚀磨损产生的原因及主要影响因素。方法 基于固液两相流基本理论和冲蚀模型,考虑颗粒保护效应及磨蚀效应,采用计算流体力学(CFD)方法模拟单向阀阀隙流场的冲蚀磨损行为,探究矿粉颗粒体积分数、颗粒粒径、单向阀半锥角、胶垫突出高度等参数对单向阀冲蚀磨损特性的影响。结果 矿粉颗粒紧贴阀芯壁面的剪切运动是造成阀芯发生冲蚀磨损失效的主要原因。当矿粉的体积分数由0.1增大到0.5时,由冲蚀造成的最大冲蚀磨损速率随之减小,由磨蚀造成的平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径为0.025~0.048 mm时,随着矿粉粒径的增大,平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径超过0.048 mm时,平均冲蚀磨损速率逐渐减小。当单向阀半锥角由30°增大到45°时,阀隙流场的最大流速由12.23 m/s减小至9.19 m/s,矿粉颗粒对阀芯壁面的最大冲蚀磨损速率减小了41.16%。阀隙流场的最大流速和冲蚀磨损速率随着胶垫突出高度h的增大而增大,同时位置也发生了相应变化。结论 矿粉颗粒体积分数的增加会加重粒子对阀芯壁面的损伤程度,随着粒径的增加,泵阀的最大冲蚀磨损速率先增大后减小,增大半锥角可以缓解颗粒对壁面的冲蚀磨损,增大胶垫突出高度会导致冲蚀磨损区域逐渐向胶垫突出位置集中。     

气固两相流饲料输送管道结构优化研究

目的 针对饲料输送管道气固两相流对弯管壁面冲蚀磨损严重的问题,提出一种在弯管外侧加设辅助气流的新型结构.方法 运用计算流体力学方法,采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)研究普通和新型弯管的冲蚀磨损情况,模型的有效性通过普通弯管压降梯度实验加以验证.通过分析两种弯管的流场分布情况,进一步研究空气进口速度、颗粒质量流量和颗粒粒径等因素对弯管冲蚀磨损的影响.结果 随着空气进口速度的增加,弯管的平均冲蚀磨损速率先减小、后增大,但新型弯管的平均冲蚀磨损速率降低了7.1％～8.5％,且当空气进口速度为35 m/s时,平均冲蚀磨损速率最小.当颗粒质量流量增加时,弯管平均冲蚀磨损速率基本呈线性增长,但新型弯管平均冲蚀磨损速率的增长速率略小于普通弯管,且平均冲蚀磨损速率降低了8.2％～9.7％.当颗粒粒径增加时,弯管的平均冲蚀磨损速率先急剧增大、后平缓变化,但新型弯管平均冲蚀磨损速率降低了8.2％～17％.结论 通过研究发现,弯管外侧均存在冲蚀磨损,但新型结构均能有效减小弯管的冲蚀磨损.颗粒质量流量对弯管冲蚀磨损的影响最大,且颗粒质量流量越大,平均冲蚀磨损速率越大.颗粒粒径对降低弯管冲蚀磨损的效果最好,且颗粒粒径越小,效果越佳.     

弯管液固两相流动冲蚀磨损的数值预测

固体颗粒的冲蚀磨损是导致液体管道壁面磨损甚至失效的主要原因。本文基于计算流体动力学（CFD）方法,研究弯管在不同条件下冲蚀磨损分布规律。对8种常用的冲蚀模型分别进行计算评估,结果显示,基于DNV冲蚀模型的预测结果与实验结果吻合较好。基于DNV模型研究不同颗粒属性下弯管冲蚀磨损的分布规律。结果表明:随着颗粒直径从10 μm 增加到200 μm,最大磨损速率先减小后增大;当颗粒质量流量为0.02~0.20 kg/s 时,最大磨损速率随着颗粒质量流量的增大而线性增大;随着颗粒形状系数从0.2增加到1.0,最大磨损速率先增大后减小。研究结果可为实际工程应用提供一定的理论支撑。     

流线型孔板流量计液固两相流冲蚀磨损数值模拟

目的探究在管输液固两相流体时,固体颗粒对孔板流量计造成的冲蚀磨损。方法运用基于欧拉-拉格朗日算法的DPM模型,对液固两相流体计量工艺中孔板流量计的冲蚀问题进行数值仿真,预测孔板流量计在液固两相流体流量计量工艺中易发生冲蚀磨损的区域。探究入口液相速度、固体颗粒粒径以及等数量颗粒冲击壁面时,固体颗粒粒径对孔板最大冲蚀速率的影响,并对比管输液固两相流体时,固体颗粒粒径对不同形状的孔板造成的冲蚀磨损速率大小。结果在孔板流量计的突缩管段易产生严重的液固冲蚀失效,最大冲蚀速率随着液相入口速度的增大而增加。当固体颗粒的质量流量相等时,最大冲蚀速率随着颗粒粒径的增加而减小;当单位时间内流经孔板的固体颗粒数量相等时,冲蚀磨损速率随着固体颗粒粒径的增加而增大。在液固两相流管道体系中,固体颗粒对凸型孔板造成的冲蚀磨损行为最弱。结论大颗粒对孔板的冲蚀磨损比较严重,在孔板计量过程中应严格注意。在流体中存在大量大颗粒时,采用凸型孔板流量计能有效改善冲蚀磨损情况。     

基于CFD笼套式节流阀阀芯的冲蚀磨损研究

基于气固两相流和冲蚀磨损理论,建立了笼套式节流阀岩屑运移模型,采用雷诺应力湍流模型和Grant、Tabakoff公式求解岩屑颗粒冲蚀速率。研究了阀芯0°、180°处冲蚀情况以及开度、安装角度对阀芯冲蚀的影响。结果表明:阀芯失效以局部冲蚀磨损为主,0°附近冲蚀严重,继而粒子沿环腔流动至背面180°附近,高速撞击反弹、冲蚀进入小孔;尤其小孔处于半开半闭状态,冲蚀异常严重。为减小冲蚀率,应避免在低开度工况下工作,安装时尽量使0°、180°面小孔数量居多,增大过流面积。     

压裂泵泵阀冲蚀磨损的数值模拟

目的 研究压裂泵作业过程中泵阀阀隙流场的冲蚀磨损特性,探究其主要影响因素与影响规律。方法 基于固液两相流基本理论与冲蚀模型,采用计算流体力学(CFD)方法模拟泵阀阀隙流场的冲蚀磨损行为,探究支撑剂粒径、质量流量、泵阀半锥角、阀座孔入口半径、阀盘升程等参数对泵阀冲蚀特性的影响。结果 泵阀的冲蚀磨损主要表现为支撑剂对阀盘边缘处的直接冲击与对阀座锥面处的切削作用。支撑剂粒径由0.062 5 mm增大到0.375 mm时,最大冲蚀速率增大了4.80倍,继续增大到1.5 mm时,最大冲蚀速率减小了76.12％;当其质量流量由5 g/s增大到25 g/s时,最大冲蚀速率增大了3.84倍。当泵阀半锥角由30°增大到50°,阀盘升程由5 mm增大到15 mm时,最大冲蚀速率分别减小了95.55％与92.57％;随着阀座孔入口半径由30 mm增大到50 mm,最大冲蚀速率增大了10.47倍。同时,阀盘升程的增大还会显著影响冲蚀磨损区域的分布。结论 压裂泵泵阀的最大冲蚀速率随支撑剂粒径的增大先增大后减小,随阀座半锥角与阀盘升程的增大而减小,随支撑剂质量流量与阀座孔入口半径的增大而增大。其中,泵阀结构参数对泵阀冲蚀磨损的影响更为显著。     

基于Fluent多相流液压滑阀阀芯摩擦力仿真分析

采用Euler多相流模型、扩展的k-ε湍流模型和SIMPLE算法,基于Fluent软件对滑阀间隙密封内固液两相颗粒湍流进行了数值分析,分析了不同直径和体积浓度的污染颗粒对滑阀阀芯摩擦力的影响。研究结果表明:摩擦力随着颗粒体积浓度增大而近似线性增大;随着颗粒直径的变大,摩擦力先增大后减小,直径与间隙厚度很接近的颗粒即"敏感颗粒",会使阀芯表面产生最大的摩擦力,"敏感颗粒"直径为0.012 mm左右;在液压系统中采用合适尺度的过滤网或过滤芯将"敏感颗粒"附近尺寸的颗粒过滤掉以达到减小阀芯摩擦磨损,提高液压滑阀换向性能,进而提高整个液压系统的使用性能。     

高压管汇三通冲蚀磨损特性研究

目的 研究在页岩气开采过程中,含砂压裂液对高压管汇三通冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素.方法 基于两相流颗粒冲蚀理论建立三通冲蚀数值计算模型,预测三通在使用过程中易发生冲蚀磨损的部位,研究三通方位夹角,压裂液入口流量、固相颗粒体积分数、颗粒直径和压裂液密度对三通冲蚀速率的影响.结果 Y型三通和歧型三通冲蚀最严重的部位均在支管与主管的相贯线上.在控制单因素变量的前提下,随着方位夹角从30°增加到150°时,Y型三通的最大冲蚀速率增大了12.7倍.而随着方位夹角从30°增加到90°时,歧型三通的最大冲蚀速率增大了1.85倍,并且最大值出现在60°附近.随着压裂液入口流量从0.5 m3/min增加到2.5 m3/min,Y型三通的最大冲蚀速率增大了232.5倍;随着压裂液入口流量从1 m3/min增加到4 m3/min,歧型三通的最大冲蚀速率增大了7.5倍.同时随着固相颗粒体积分数从2％增加到10％,粒径从200μm增加到600μm,密度从1000 kg/m3增加到1400 kg/m3,Y型三通的最大冲蚀速率分别增大了4.4倍、0.63倍、1.3倍,而歧型三通的最大冲蚀速率分别提高了4.4倍、0.58倍、1.06倍.结论 两种三通的最大冲蚀速率均随着入口流量、固相颗粒体积分数的增加而变大,随粒径的增加而减小.Y型三通的最大冲蚀速率随空间夹角、压裂液密度的增加而变大,但歧型三通的空间夹角为60°时冲蚀最严重,且压裂液密度对其影响较小.     

多路换向阀稳态液动力分析与结构优化

对于多路换向阀而言,稳态液动力过大会导致阀芯运动卡滞、换向阀操纵性下降。通过AMESim与Fluent软件联合仿真,发现稳态液动力峰值往往在阀口小开度时出现,且方向趋于阀口关闭;在阀芯复位过程中,稳态液动力在操纵力中最大占比为25.12%,阀芯在稳态液动力的影响下会获得过大的操纵力,破坏阀芯行程与复位弹簧力本身具有的线性关系。针对这种情况,基于流道改造法与特殊阀腔法,提出一种滑阀稳态液动力补偿方法,即在阀芯上设置一种挡流凸台。对改进后阀芯进行流场仿真分析,结果表明：凸台直径越大,降低稳态液动力的效果越明显,最多可以降低65.18%。但是过大的凸台直径会改变多路换向阀对应阀口的通流面积和水力直径,影响换向阀的压力特性,使得改进效果不理想。     

基于CFD的阀芯颈部直径对液压锥阀性能的影响研究

采用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对锥阀的阀腔内流场进行求解,得到不同阀芯颈部直径D值下不同阀口开度对应的流量、流量系数、阀芯阻力与稳态液动力值,并对解析结果进行了分析。结果表明：在相同阀口开度下,阀芯颈部直径D的变化对流量、流量系数几乎无影响,流量系数保持在0．86左右;阀芯的颈部直径D的变化对阀芯阻力与稳态液动力的影响也很小;阀芯阻力随着阀口开度的增大而减小;稳态液动力随着阀口开度增大而增大。     

滑阀副配合对伺服阀性能的影响研究

电液伺服阀按结构形式可分为喷嘴挡板伺服阀、射流式伺服阀和直接驱动伺服阀,主要区别在于前置级选取了不同的液压放大器。一般均采用圆柱形滑阀副作为第二级功率放大级,滑阀副的性能同样直接影响伺服阀的性能。为此,从零开口、正开口、负开口形式的轴向配合和径向配合组合方面,分析了伺服阀滑阀副配合对伺服阀性能的影响。同时,分析非对称滑阀副开口对伺服阀性能的影响,并通过实验验证了分析结果。     

基于正交试验设计的比例方向阀响应时间优化

以一种大流量比例方向阀为研究对象,利用AMESim软件搭建仿真模型,通过正交试验对其关键结构参数进行改进,获得最优化响应特性。将回液阀芯响应时间、进液阀芯开启和关闭响应时间作为评价指标,研究环形阻尼孔、回液阀芯外径、控制腔直径和锥阀口直径4个因素对比例方向阀的影响规律。结果表明：回液阀芯外径对回液阀芯响应时间影响显著,控制腔直径对进液阀芯开启响应时间和关闭时间影响显著;最优结构参数为环形阻尼孔径2.0 mm、回液阀芯外径30 mm、主阀控制腔直径25 mm、锥阀口直径31 mm;与优化前相比,优化后比例方向阀的回液阀芯响应时间减小22.72%,开启和关闭响应时间分别减小34.29%和66.44%,满足优化要求。     

多路阀主阀芯不同节流槽对其稳态液动力的影响

针对工程机械用多路换向阀在不同工况下稳态液动力过大或不稳定导致滑阀卡滞,从而影响执行机构的可靠性和安全性,以某型号工程机械多路阀为例,设计矩形、半圆形、U形、2U形4种形式节流槽口的阀口,通过Fluent数值模拟研究在不同阀口开度下的流场特征并确定射流角,根据流场计算结果,搭建不同结构节流槽的滑阀模型,分析节流槽口结构形式对阀芯稳态液动力的影响。研究结果表明：随着阀芯节流槽口逐渐开大,矩形、U形、2U形节流槽阀芯所受稳态液动力变化平稳;当阀芯采用U形节流槽时,其单位节流面积受力变化幅度较大,但阀口稳态液动力仍能保持稳定;半圆形节流槽阀芯所受稳态液动力相对不稳定,梯度较大。     

阀芯旋转式高速开关阀稳态液动力矩研究

为突破高速开关阀阀芯行程对开关频率的限制,提出一种阀芯旋转式高速开关阀。采用理论计算与CFD仿真相结合的方法,研究不同阀芯旋转角度下阀芯结构参数变化对阀口过流面积、流量系数、射流角及液动力矩的影响,得到了液动力矩的变化规律。研究结果表明：液动力矩与阀口压差及流量的二次方成正比;压差一定时,液动力矩与阀口过流面积及射流角余弦值成正比,随着阀芯旋转角度增大,液动力矩先增大后减小;流量一定时,液动力矩与阀口过流面积成反比,随着阀芯旋转角度增大,液动力矩逐步减小为零。通过调整阀芯沟槽高度来改变射流角,达到补偿液动力矩的目的。     

圆孔型2D伺服阀阀芯位移阶跃实验装置的设计

为了研究阀芯形式为圆孔型高低压孔2D伺服阀的阶跃响应时间,设计了摆轮式阶跃响应装置,并在此基础上完成对圆孔型2D伺服阀的阀芯位移的响应特性分析和稳定性分析的实验研究。实验结果表明:摆轮式机构可以给出一个理想的阶跃信号,当输入压力为21 MPa时,阶跃信号为0.9 ms,圆孔型2D伺服阀的阀芯位移阶跃响应时间为2 ms。     

斜槽型2D伺服阀的阀芯高低压孔设计与实验研究

为提高螺旋伺服机构的动态性能,设计了阀芯形式为斜槽型高低压孔的2D伺服阀,并对斜槽型2D伺服阀和圆孔型2D伺服阀进行导控级零位泄漏实验、阀芯阶跃响应特性和动态特性的实验研究。实验结果表明:对阀芯的高低压孔进行斜槽型结构的改进是合理的,可以提高伺服螺旋机构的动态性能的目的。     

某高速开关阀阀芯液压力影响因素研究

随着数字液压技术的发展,对高速开关阀的性能有了更高的要求,高速开关阀阀芯力学特性决定了其整体性能。建立了某高速开关阀的CFD模型。针对不同工作压差、不同工作温度、不同底座孔径、不同底座角度以及不同开口度的某高速开关阀内部流场速度场进行了分析。分析不同工况下某高速开关阀阀芯液压力影响因素,进一步研究了阀口开度、阀口形状、阀口压差、油液温度对该阀芯液压力的影响规律,为高速开关阀设计提供了理论基础。