噴嘴擋板伺服閥前置級(jí)流場(chǎng)瞬態(tài)氣穴及其流致現(xiàn)象研究.pdf

1、電液伺服閥是液壓控制系統(tǒng)中的核心控制元件，被廣泛的應(yīng)用于航天、航空、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，尤其是采用噴嘴擋板裝置作為前置級(jí)的電液伺服閥，由于其具有尺寸結(jié)構(gòu)小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在液壓伺服控制系統(tǒng)中被大量使用。然而，噴嘴擋板裝置由于結(jié)構(gòu)以及工況的特殊性，其內(nèi)部流場(chǎng)往往具有進(jìn)出口壓差大，局部流速快以及剪切流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其在一些壁面銳邊處，極易發(fā)生氣穴現(xiàn)象。瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象及其誘發(fā)的前置級(jí)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)不僅會(huì)造成零件表面的汽蝕損壞，影響噴嘴擋板

2、裝置工作的穩(wěn)定性，甚至還會(huì)誘發(fā)伺服閥的自激振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重降低伺服閥以及伺服控制系統(tǒng)的控制精度。本文針對(duì)噴嘴擋板式兩級(jí)電液伺服閥，從前置級(jí)流場(chǎng)的不穩(wěn)定性出發(fā)，采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，依次分析噴嘴擋板裝置中的瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象及其誘發(fā)的流場(chǎng)壓力脈動(dòng)、擋板瞬態(tài)液流力和擋板振動(dòng)，通過(guò)對(duì)比其時(shí)域和頻域特性，研究其內(nèi)在聯(lián)系，為伺服閥自激振蕩的研究提供理論基礎(chǔ)。
　　基于噴嘴擋板前置級(jí)流場(chǎng)兩相流控制方程，本文在局部氣穴體積分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)前

3、置級(jí)流場(chǎng)不同區(qū)域的面平均氣穴分?jǐn)?shù)以及體平均氣穴分?jǐn)?shù)兩個(gè)氣穴評(píng)價(jià)參數(shù)，分別對(duì)流場(chǎng)噴嘴中心面和流場(chǎng)整體的氣穴現(xiàn)象進(jìn)行定量分析。同時(shí)，針對(duì)不同區(qū)域的瞬態(tài)氣穴評(píng)價(jià)參數(shù)和擋板液流力，建立時(shí)域以及頻域分析方法，其中在時(shí)域上主要使用均值和振幅對(duì)氣穴、壓力脈動(dòng)以及擋板液流力進(jìn)行分析，在頻域上則計(jì)算相關(guān)參數(shù)的峰值頻率與均方根頻率。
　　針對(duì)噴嘴擋板前置級(jí)流場(chǎng)中的瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象，本文使用大渦模擬和混合兩相流模型建立相應(yīng)的數(shù)值仿真方法，對(duì)不同噴嘴入口壓力

4、下流場(chǎng)中的氣穴分布及其形態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行分析?；诓煌臍庋ㄔu(píng)價(jià)參數(shù)，采用時(shí)域和頻域相結(jié)合的分析方法，分別對(duì)圓角擋板和直角擋板在不同入口壓力下的前置級(jí)流場(chǎng)局部氣穴分?jǐn)?shù)脈動(dòng)、面平均氣穴分?jǐn)?shù)脈動(dòng)和體平均氣穴分?jǐn)?shù)脈動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，研究三者均值、幅值、峰值頻率以及均方根頻率隨噴嘴入口壓力的變化規(guī)律。
　　在前置級(jí)流場(chǎng)瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象的研究基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步對(duì)其誘發(fā)的流場(chǎng)壓力脈動(dòng)、擋板瞬態(tài)液流力以及擋板振動(dòng)特性進(jìn)行研究。針對(duì)前置級(jí)不同流動(dòng)區(qū)域，分別計(jì)

5、算瞬態(tài)氣穴引起的流場(chǎng)局部壓力脈動(dòng)、面平均壓力脈動(dòng)、體平均壓力脈動(dòng)特性以及前置級(jí)流場(chǎng)的諧振頻率；對(duì)噴嘴擋板間沖擊射流引起的擋板主液流力進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，并與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比,對(duì)瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象引起的擋板渦流力進(jìn)行瞬態(tài)分析，并且基于流固耦合的方法，對(duì)瞬態(tài)渦流力引起的擋板振動(dòng)特性進(jìn)行研究，通過(guò)與瞬態(tài)氣穴以及流場(chǎng)壓力脈動(dòng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步分析其相互聯(lián)系。
　　基于仿真分析結(jié)果，本文進(jìn)一步對(duì)噴嘴擋板前置級(jí)的瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象以及擋板液流力進(jìn)行試驗(yàn)研

6、究。測(cè)量噴嘴擋板裝置在不同入口壓力下的零位泄漏流量，并且使用半經(jīng)驗(yàn)方法測(cè)量擋板的主液流力，分別與數(shù)值仿真結(jié)果做對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。使用高速攝像機(jī)對(duì)圓角擋板和直角擋板前置級(jí)流場(chǎng)中的瞬態(tài)氣穴進(jìn)行拍攝，并建立氣穴圖像的處理方法，包括前處理與后處理兩部分。其中圖像前處理分為中值濾波與灰度拉伸兩步，主要用于消除拍攝過(guò)程中引入的噪聲以及對(duì)圖像中的氣穴形態(tài)進(jìn)行突出顯示。圖像后處理主要使用結(jié)構(gòu)相似性檢測(cè)算法對(duì)一系列瞬態(tài)氣穴圖像進(jìn)行相似性分