纯水传动缸缝隙泄漏流场的仿真研究   登高车出租,  东莞登高车出租, 东莞登高车租赁      在对水、液压系统的运行状态及多项性能指标评价时，不仅要看系统是否能够完成正常的循环动作和满足静态特性外，还要看液压系统动态性能和运行状况。液压系统在运行时，有时候会出现液压冲击、泄漏、振动和液压元器件失调等现象，液压系统的动态性能失调引起的这些不良现象，这些现象不仅会削弱液压元件的性能，而且还影响整机的正常运行。常用的液压系统主要分为两类：一类是以传递功率为主液压传动系统，执行机构需要满足对速度和力的要求，具有效率高、节约能能源、功率匹配良好的特点，并且具有较好的动态特性。另一类则是以传递控制信号为主的液压伺服系统，对系统的控制精度、响应特性以及控制稳定性具有较高的要求。随着现代工业和科技的进步，对液压系统的动态特性提出了更高的要求。基于计算机仿真技术的液压系统的研宄，不但能够对系统的特性进行预测，缩短研发设计的时间，而且能够对整个液压系统做整体分析、评估及优化，以实现减少设计时间和提高系统整体性能的目的。

      （１）ＣＦＤ概述计算,  流体动力学通过计算机进行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作的分析。雷诺方程具有近似性和平均性，在研宄水压缸的环形间隙的流道泄漏时，数学模型的建立必须基于Ｎ－Ｓ方程。实际情况是Ｎ－Ｓ方程并不是线性的微分方程，只有在很少的情况下才对非线性微分方程进行解析法求解。目前较好的方法是通过建立数学模型以后，在计算流体力学软件ＣＦＤ中进行数值分析，得到水压缸过流间隙较为精确的计算结果Ｍ。计算流体力学是现代快速发展的一个学科分支，它以各种大容量、高速度的计算机为核心，解决流体力学的计算问题，在工业行业发展和流体力学的研宄中发挥着越来越重要的作用。通过计算机数值计算和图像显示，分析了流体流动和传热的物理现象。ＣＦＤ的基本思想可以归结到原来的物理量在连续时间域和空间域的领域，由一系列离散点上的变量来代替，通过变量之间的关系的离散点的近似值的原理和方法建立代数方程组，然后求解代数方程的场的变量。其优点是能够在实际操作过程中模拟各种测量数据，并能提供详实完整的数据，计算速度快，周期短，成本低。这在商业、设计、改造产品和设备或实验室研宄等领域具有重要的指导作用。层流和湍流是流体流动的两种基本状态。揣流是粘性流动中雷诺数大于临界雷诺数时产生的一种流动现象。湍流的主要特征是随机性大、扩散性、有涡性和耗散性。由于揣流的上述特点，用确定性方法难以解决湍流运动问题。因此，采用有限体积法研究湍流的流动是一种有效的方法。由于水的粘度远小于矿物油的粘度，因此很容易在水压力的环状流场中发生湍流现象，所以采用ＣＦＤ软件是一个很好的选择。在本章中，ＣＦＤ方法被用来模拟计算：在工程ＣＦＤ软件包的通用Ｆｌｕｅｎｔ流体软件中，首先建立几何模型，通过划分网格后进行计算。网格的划分原则是形状大小均匀、网格尺寸合理。网格的划分质量代表你是否正确的表达了油腔模型的实际工作情况，并且高质量的网格划分能够让模型在后续的计算中迅速准确、出错率低。在建立好模型以后，在ＣＦＤ软件中对模型的边界条件进行时选取，并根据实际情况对模型的相关参数进行设定，设定好后检查确定无误后再进行计算。最后，对仿真出来的曲线进行分析，针对不合理的曲线进行参数的调节和模型的修改，直到达到既定的精度要求。

   （２）环形流场模型的建立,  采用ＣＦＤ软件：Ｆｌｕｅｎｔｌ５．０来对水压缸环形缝隙的泄漏特性进行仿真。在模型的建立中，由于水压缸环活塞与缸筒的间隙存在偏心非对称的情况，采用二维平面模型无法简化，为了更好的分析计算，采用三维空间建立模型。流动介质为水，其密度为９９８．２ｋｇ／ｍ３，动力粘度系数为１．００３ｘｌ０３Ｐａ．ｓ。边界条件设置为----入口处选用压力为边界条件，压力为６ＭＰａ，出口处选用压力出口边界条件，为任意出口压力。根据前面计算最佳缝隙高度，不同的实验组的缝隙高分别设置为．３ｍｍ、０．００５ｍｍ、０．００８ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．０１５ｍｍ。湍流现象的产生主要是由于外界环境的影响，使边界层附近的流场产生旋涡，旋涡运动不规则，并在流场中逐渐扩散，最后形成湍流。选择标准Ｋ－ｓ湍流模型进行仿真。基于ＳＩＭＰＬＥＣ算法采用双精度求解。最后，根据仿真的结果曲线对仿真参数及模型不断的修改，直到达到预定的精度要求。

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   （３）ＣＦＤ软件的仿真结果与分析,  在活塞泄漏量仿真中，设置压力为６ＭＰａ，直径为５０ｍｍ，密封长度为３５ｍｍ。偏心与倾斜对环形缝隙流动流态有很大影响，使临界雷诺数相应减小，但对泄漏量无显著影响，虽然根据层流泄漏量公式，偏心和倾斜会使环形缝隙流动的泄漏量增大，但偏心与倾斜也会使环形缝隙流动更容易发生湍流，在相同条件下，层流泄漏比湍流泄漏流量要大，两者效果会有一定的抵消，所以对水压环形缝隙泄漏量影响不大。因此模拟仿真是在无倾斜无偏心下进行。１）在间隙为０．００３ｍｍ下的压力、矢量速度及涡旋云图。在压力云图中，活塞最大压力处为缝隙进水口位置，缝隙进口压力为１２ＭＰａ，出口压力为６ＭＰａ，压力云图中从入口到出口呈均匀递减趋势，活塞的径向压力也有一个从上到下逐渐衰减的过程，其中下方压力较低，上方较高；由速度矢量图可知，水流速度比较均匀，均在４ｍ／ｓ，最小速度为０．０８ｍ／ｓ；由涡旋分布图可知，局部着色部分涡旋现象明显。２）在间隙为０．００５ｍｍ下的压力、矢量速度及涡旋云图。由压力云图知，最大压力在环形缝隙入口压力为１２ＭＰａ，出口压力为６．０４ＭＰａ，由于在无偏心的情况下，压力云图中从入口到出口呈均匀递减趋势，压力梯度层次变化均匀；由速度矢量图知，整个流体区域较平稳，速度位于间隙的中间位置有局部的速度波动峰值；由涡旋分布图可以看出，在速度波动的地方也有局部的涡旋区域。３）在间隙为０．００８ｍｍ下的压力、矢量速度及涡旋云图。  在环形缝隙入口压力最大为１２ＭＰａ，出口压力为６．０５ＭＰａ，由于在无偏心的情况下，压力云图中从入口到出口呈均匀递减趋势，压力梯度层次变化均匀；由速度矢量图知，最大速度为４．６１ｍ／ｓ，沿着缝隙水流速度基本保持不变，速度变化较前面仿真较大，速度较大的区域位于接近活塞壁面的中间位置；由涡旋分布图可知，涡旋分布占整个流场比例较前面仿真有所增加，在速度波动的地方也有局部的涡旋区域。４）在间隙为Ｏ．Ｏｌｍｎｉ下的压力、矢量速度及涡旋云图。 在环形缝隙入口压力最大为１２ＭＰａ，出口压力为６．０５ＭＰａ，由于在无偏心的情况下，压力云图中从入口到出口呈均匀递减趋势，压力梯度层次变化均匀；由速度矢量图知，流动最大速度为２．６ｍ／ｓ，位于活塞壁面的中间位置，最小速度为ｌｍ／ｓ，沿着缝隙水流速度基本保持不变；由涡旋分布图可知，涡旋分布占整个流场比例较前面仿真有所增加，分布在流场的四个对称的局部区域成对称分布。５）在间隙为０．０１５ｍｍ下的压力和矢量速度及涡旋云图。 在环形缝隙入口压力最大为１１．９ＭＰａ，出口压力为６．０５ＭＰａ，压力云图中从入口到出口呈均匀递减趋势，压力梯度层次变化均匀；由速度矢量图可知，速度梯度分布分明，从缝隙入口到出口的水流速度大小基本保持不变，最大速度为３３ｍ／ｓ，位于流场间隙的中间位置较小区域；由涡旋分布图可以看出，红黄色是发生涡旋的重点区域，涡旋区域所占整个流场的比例较前面仿真云图有所增加。在流动间隙两端压力差为６ＭＰａ，密封活塞直径为５０ｍｍ，密封长度３５ｍｍ，间隙高度在．３ｍｍ--０．０１５ｍｍ的情况下，本次仿真的最大泄漏量为７．５７Ｌ／ｍｉｎ，最小泄漏量为０．０６０５Ｌ／ｍｉｎ，得到不同间隙值下的ＣＦＤ仿真泄漏量曲线。  可知，在其他因素不变的情况下，水压缸缝隙泄漏量随着间隙的增大而增大，且当间隙大于０．０１ｍｍ时，泄漏量呈急剧上升趋势，因此，水压元件环形缝隙的设计时为了减少泄漏，水压缸的间隙在设计时，间隙高度应小于０．０１ｍｍ。液压元件中环形间隙的流动与水压元件的流动有很大的不同，主要表现在不同的流动状态上，虽然水介质比油介质的泄漏量要大很多，但可以采取一系列的措施把泄漏量降到最低。有分析结果可知，当间隙小于０．０１ｍｍ，仿真结果非常接近层流理论值，表明环形间隙的流动状态为层流流动。当密封长度大于１０ｍｍ时，环形缝隙泄漏量随着不同的流量参数的变化很小，与值非常接近。当间隙大于０．０１ｍｍ时，仿真结果明显小于层流理论计算值，这表明环形间隙流场流态变的动荡，表现为湍流。

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