基于cfd方法的某液压系统耦合仿真new

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1、万方数据第30卷第1期2010年2月振动、测试与诊断JournalofVibration，Measurement&DiagnosisV01．30No．1Feb．2010基于CFD方法的某液压系统耦合仿真‘陈青，权龙(太原理工大学机械电子工程研究所太原，030024)摘要采用计算流体力学(computerfluiddynamic，简称CFD)和液压系统耦合的仿真方法，完成同时包含限压阀内气穴现象以及整个液压系统的在线耦合研究。研究过程、限压阀内气穴现象以及阀的动态运动，用CFD商业软件FLUENT进行仿真计算和流场可视化研究，而系统其他部分的计算运用一维特征法，采用软件MATLAB的SIMULI

2、NK模块来实现。在线耦合仿真用两台并行运算个人计算机来实现，仿真中必要的信号文件通过TCP／IP传输。耦合仿真的计算结果充分证实了所应用耦合原理的可行性和有效性。关键词计算流体力学耦合仿真特征法气穴流场可视化中图分类号TH137引言限压阀是液压系统中不可或缺的压力控制元件。当阀节流口处压力降低到一定程度时，会引起气穴、气蚀现象，并伴有流体噪声和振动，通过分析阀出入口的压差、阀内流场特性，达到降低噪声和能耗的目的，是液压技术的重要研究方向之一。液压阀内的压差传统上是由理论计算或者经验公式获得。现代流体动力学的发展为计算液压阀复杂流道内的压差提供了解决方法，可为流道结构的优化设计提供理论基础，缩短

3、设计时间，减少试验费用。文献[1—2]用数字计算和试验方法对液压锥阀和滑阀的内部流动进行了分析。文献[3—4]应用CFD数字建模和试验方法对基于文献[5]气穴原理的液压阀内气穴现象进行了详细研究。基于液压元件内的气穴现象与动态液压系统相互影响、相互关联的考虑出发，对阀内流场和气穴进行CFD仿真和可视化分析，并将分析结果输入用一维特征法研究的液压系统中，用以分析对系统造成的影响。同时，液压系统的反应也会进一步影响阀内流场以及气穴。通过这种原理和方法，研究了流场特性、气穴和整个系统之间的动态影响。这不仅对单个元件流场分析提供了实际指导意义，还为液压系统的在线耦合提供了可行的理论基础。1离线耦合仿真

4、在对整个系统进行计算之前，先进行CFD数字计算和整个液压系统仿真的离线耦合。此种离线耦合情况下的CFD数字计算要花费大量计算时间和存储空间。假设条件为“外界”元件或系统和被研究元件的内部流动过程之间没有相互作用，互不干涉。图1为所研究的离线耦合液压系统。此系统由液压泵、液压管路、限压阀、测量喷嘴以及油箱等组成。图1离线耦合液压系统在图1中，液压泵产生动态正弦流量，此动态流量的常值部分为10l／min，交变部分频率为100Hz，幅值为11／min。动态正弦流量作为边界条件之一，测量喷嘴进行流量仿真。首先研究测量喷嘴的内部流动，然后将测量喷嘴入口和出口的压差计算结果作为边界条件并结合系统其他部分的

5、仿真，用一维特征法对离线耦合液压系统完成计算。离线耦合的前提条件是：假定流体不可压缩，流动为动态层流；选定HLP32矿物油作为压力媒介；不考虑气穴现象。图2给出了测量喷嘴出口流速不同的对比计算结果。图中显示了分别使用商业软件FLUENT和MATLAB／SIMULINK的不同计算结果。FLUENT计算的平均出口流量比MATLAB／SIMULINK的对应计算值大8．58％，而且在这些仿真计算结果之间还有80。的相位差。图3描述了测量喷嘴周围的静态压力分布。可以发现，在喷嘴截面的中间位置，静·国家自然科学基金资助项目(编号：50675147)；山西省自然科学基金资助项目(编号：2008011053)

6、收稿日期：2008—05—10；修改稿收到日期：2009—08—18万方数据48振动、测试与诊断第30卷态压力值相对较低。●’∞●吕∑嘲斌口丑图2测量喷嘴的出口流速方法。F．Ruediger等人L61提出了两种耦合模式。图4则说明了这两种耦合模式。图4(a)所示的模式中两种仿真程序之间的数据交流和传输通过一个单独的外部界面来完成。这两个程序等步长并列运行，可以用不同的计算机在不同的操作系统平台上运行。在图4(b)中，系统仿真被结合进CFD程序中。为了确保图4(b)模式中在线耦合的计算稳定性，必须对这两个软件内部程序有深度了解，需要在软件工程师的协助下才可能实现，本文使用图4(a)的耦合模式。露

7、蘑图3喷嘴周围静态压力2．3边界条件2在线耦合仿真当“外部”元件或系统对某一液压元件的内部流动有影响，尤其在高频率或者非常快的瞬态过程时，有必要进行在线仿真。用不同仿真工具进行“在线耦合”的难点在于时域分析。本项液压系统耦合仿真研究中，CFD模型考虑了限压阀中的气穴现象，并且运用简化特征建模方法描述了气穴现象和整个被分析的液压系统之间的相互作用和影响。2．1耦合目的在线耦合仿真的目的在于连接液压、