基于孔道流场优化的流体性能提升

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Fluid Performance Improvement Based on FlowField Optimization of Drill W ayZHU Zhangli，TIAN Lei(715th Research Insititute of China Shipbuilding Industry Corporation，Hangzhou 310012，China)Abstract：In order to improve precision performance of hydraulic system ，a method was proposed to optimize flow field inholes by setting incline technological hole and rounding at hole colTler.A group of models，before and after optimization，for comparison were created to simulate by CFD software.According to visual results obtained and some actual examplescan verify the feasibility of this optimization method。

Key words：hydraulic transmission；laminar；turbulent；bernoulli S equation；pressure loss；flow field emulation长期以来，由于液压传动在精度方面的固有缺陷，液压系统在精密控制和精密加工等领域的应用并不广泛。随着高精度高响应的电液比例阀、伺服阀，高敏传感器等液压元器件的开发和闭环技术的应用，液压设备在精密领域的应用才逐步广泛，但对于液压系统介质流体的性能有了更高的要求。集成块和阀体作为这些高端液压元器件的载体，孔道内部流体的性能直接影响到这些高端元件的精准程度。然而受到传统的加工工艺所限，集成块和阀体内的孔道存在大量锐角、飞边、直角转弯等使截面突变的不利因素，令液压系统性能进-步提高受到局限。

本文在理论分析的基础上，提出-种提高孔道内流体性能的方法，并且用计算机模拟仿真结果结合-些实际运用来验证方法的可行性。

1 孔道中液流的特性19世纪末，雷诺通过实验证明流动的液体具有层流和紊流 2种不同的流态。层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线状或层状，流速较低 ，质点受黏性制约，黏性力起主导作用，能量损耗主要在摩擦损失上，直接转化成热能；紊流时，液体流速较高，质点运动杂乱无章且相互撞击，能量摩擦损失的同时还有更大量的动能损耗，这部分损失使液体搅动混合，产生漩涡、尾流，造成气穴和振动，形成液体噪声，这种振动虽然会受到抑制而衰减，并在最后化作热能消散掉，但在其幅射传递过程中，还会激起其他形式的振动。研究表明，在层流状态下压降较小，压力值稳定；在紊流状态下压降较大，且压力波动剧烈∩以通过液体的流动状态来判断液体的流动性能，即对于液压系统来说，紊流越严重，流动性能越差，反之亦然。

2 流动液体的理论分析2.1 实际液流的能量守恒理想液体流动时，液流中任意截面处液体的总比收稿 日期 ：2013-01。10；修回日期：2013-04-08作者简介：朱张立(1983)，男，浙江杭州人，助理工程师，学士，主要从事液压技术和水下拖曳系统的科研工作。E.mail：287076715### qq.com· 80· 轻工机械 LightIndustryMachinery 2013年第4期能(即单位重量液体的总能量)由比位能z，比压能，与比动能组成，三者之和为-定值。

实际液体在流动时因黏性会产生摩擦损耗，如图1中单位重量的实际液体在微流束中从截面A 流到截面4 时，比位能 z〉至 z：，假设能量损耗为 h ，则实际液流的伯努利方程为Z1 U1 Z2 P2- u2h (1)图 1 流束伯努利方程推导图Figure 1 Derivation of Bernoulli S equation2.2 沿程压力损失经理论推导，流体经过等径的d直管时，流态以层流为主，在管长 2段上的压力损失 卸 的表达式为1 2△pA (2)fz式中A为沿程阻力系数； 为液流的平均流速；p为液体密度。在层流状态时沿程阻力系数应是 64Re，在光滑的金属孔道中，尺e取值为 2 000-2 320。

在正常情况下，集成块或阀体内孔道的长径比的值-般不超过 l0，内部孔道加工-般需要避免细长孔，所以孔道内的沿程压力损失相对不大。

2.3 局部压力损失集成块或阀体是在钢件内部加工的多路孔道 ，通过孑L道的交集而构成的用于液体流通和交换的密闭空间。这样密闭的孔道网络中存在大量直角转弯、多路分支、截面突变，以及加工过程中留下的毛刺飞边等复杂情况。这样的孔道网络中，主要为紊流状态下的局部压力损失。

据 A 和A 截面列出伯努利方程方程2 2 ： 丝 h h (3) --十- - --十- - 十 十 f Lj，Pg zg Pg g式中h 为沿程压力损失，h 为单位重量液体的局部压力损失；由于距离很短，h 可以略去不计。

另将截面A。和A 之间的液体取为控制体积，根据1P· 。 控制体积Ap2A，图2 孔道扩大处的局部压力损失Figure 2 Pressure loss at the pore expand动量方程，有plAlPo(A2-At)-p2A2pq(卢2 2-卢1 1)(4)由于 qAl lA2 2，且由实验可知P0P1根据这两式可以推得( z 对于紊流来说，5式即(5)△p (6)式中 为局部阻力系数， (1-A /A ) ，当A：》A时， ：1，因此突然扩大截面处的局部能量损失为/(2g)，这说明突然扩大截面处的动能会因为液流扰动而全部损失掉。

上述结果是在紊流状态下做出的，其理论值与实验结果基本相符。

3 孑L道优化的方法由以上理论分析来看，孔道流通截面突变所产生的紊流是流体性能下降的主要原因，从这个角度提出2种方法可以使流通截面的变化趋于平缓，从而改善流体性能。

方法 1：转角处倒圆∽口扩大处是否倒圆或倒角对压力损失有重大影响，可用人 口系数 c 来修正，此时公式(6)为△p：Ci(1- ) (7)/12C 值见表 1。

表1 C 的值Table 1 Numerical of C方法2：设置倾斜的工艺孔。流体经过直角转弯也可以看做是-种流通截面突变的过程，如果改变工[新设备 .新材料 .新方法 李金龙，等 ：基于接触模型的大型储罐有限元强度分析 ·85·10 m 的大型储罐应力分析模型，并按照应力分析标准进行了应力评定，结果表明：1)罐壁最大环向应力出现在第 2圈壁板下部与第 1圈壁板交界处，为264 MPa，并且第 2圈至第 5圈壁板都存在较大的环向应力，材料得到了较充分的利用；通过应力线性化进行应力分类，通过应力评定，符合 JB4732.1995安全要求。

2)罐壁轴向应力、径向应力都比较小，集中分布于第 1圈壁板。边缘板在位于大角焊缝处三向应力值都比较大。中幅板三向应力不大，不足 以引起强度破坏。

3)油罐大角焊缝处存在最大应力，按第三强度理论，最大拉应力 677 MPa，位于焊缝内侧。并且应力状态最为复杂，因此实际施工过程中要特别注意此处的施工质量，设计可靠的焊接结构，保证油罐的安全。

4)根据 JB4732相关规定对 2×10 1TI 储罐进行的应力评定，结果表明该设计在最高液位时满足强度设计要求。