CN110909510A - 一种压力脉动衰减器三维仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压力脉动衰减器三维仿真方法，步骤如下：步骤1：确定需要仿真的压力脉动衰减器，进行模型简化并建立流体域三维模型，根据压降确定节流孔数量n(n≥2)和直径，建立负载流体域三维模型，将二者组成装配体。步骤2：选择网格类型和大小对上述三维模型网格划分，进行网格质量检查。步骤3：进行仿真前处理，使用瞬态模拟，根据实际液压油设置其属性参数。步骤4：提取关键点的压力脉动数据，进行数据处理分析，计算压力脉动衰减率、脉动衰减率和插入损失对压力脉动衰减器衰减效率进行评估。本发明方法更符合实际试验情况，结果更真实可靠。

Description

一种压力脉动衰减器三维仿真方法
技术领域
本发明提供一种压力脉动衰减器三维仿真方法，具体涉及一种基于计算流体力学的压力脉动衰减器对弱可压缩性液压油压力脉动衰减效果的仿真方法，属于压力脉动衰减器三维仿真技术领域。
背景技术
液压系统具有体积小、重量轻，刚度大、响应快，承载能力大，易于实现安全保护的优点，因此在航空航天领域应用广泛。近年来航空技术发展对液压系统提出了更高的要求，飞机液压系统将向轻量化、高压化、大功率、变压力等方向发展。
液压泵作为液压系统的动力元件，其缸内容积周期性地增大和减小，以完成吸油和压油，决定了其输出脉动流量是周期变化的，流量脉动在管路中遇到液阻后产生压力脉动。压力脉动不仅会直接造成管道破裂，还会造成管道支撑结构损坏，使管路系统失效，轻则发生泄漏，重则产生机毁人亡等重大事故。压力脉动还影响液压元件的使用寿命，降低执行机构的工作精度，影响参数测量的准确性，增加维护成本。此外，压力脉动还会产生噪声，影响机组工作人员和乘客的情绪，甚至给人体健康带来危害，因此有效地衰减脉动十分重要。
相较于其他衰减压力脉动的方式，压力脉动衰减器具有衰减效率高、研发周期短、工作安全和安装维护方便等优点，因此广泛用于液压系统中来衰减脉动。此前也有学者进行压力脉动衰减器的仿真研究，但存在液压油可压缩性等因素考虑不全，且未加入节流孔的负载模型等问题，因此与实际实验结果有差异。本发明提出一种压力脉动衰减器三维仿真方法，可以更精确计算压力脉动在脉动衰减器内流动和衰减情况，为压力脉动衰减器的设计和优化奠定基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种压力脉动衰减器三维仿真方法，以解决现有技术中存在的对液压油的压缩性等因素综合考虑不周、未增加负载对仿真结果有影响的问题。通过合理的边界条件设定与仿真方法的选择提高仿真精度，为压力脉动衰减器的研究奠定了基础。
本发明所涉及的技术方案和具体实施过程为：
本发明所述技术方案为一种基于计算流体力学的压力脉动衰减器三维仿真方法。该方法涉及压力脉动衰减器及负载的三维建模、网格划分、CFD前处理和数据处理等。
所谓压力脉动衰减器指所有类型的脉动衰减器，通常为亥姆霍兹脉动衰减器和扩张室型脉动衰减器，脉动衰减器入口连接液压泵的出口，脉动衰减器出口连接负载，在三维建模中可忽略圆角等因素建立容腔的流体域，入口选用脉动的质量入口条件，出口连接负载，选用交界面。
所谓负载指连接在脉动衰减器出口处，起到降低压力的作用，在三维仿真中使用n(n≥2)个串联的节流孔来模拟负载，节流孔直径为
Figure BDA0002253457030000021
其中q0为油液流量，Cd为流量系数，ρ0为液压油密度，ΔP为压降，负载入口连接脉动衰减器出口，选用交界面，出口连接油箱，选用压力出口条件。
本发明一种压力脉动衰减器三维仿真方法，其步骤如下：
步骤1：确定需要仿真的压力脉动衰减器，进行模型简化并建立流体域三维模型，同时根据压降确定节流孔数量n(n≥2)和直径，建立负载流体域三维模型，并将二者组成装配体。
步骤2：选择合理的网格类型和大小对上述三维模型进行网格划分，并进行网格质量检查。
步骤3：进行仿真前处理，使用瞬态模拟，根据实际液压油设置其属性参数，脉动衰减器入口设置为质量入口，脉动衰减器出口和负载入口设置为交界面，负载出口设置为压力出口，根据实际压力和脉动频率等情况选择合理的求解器与时间步长。
步骤4：提取关键点的压力脉动数据，进行数据处理分析，通过计算压力脉动衰减率、脉动衰减率和插入损失来对压力脉动衰减器衰减效率进行评估。设液压系统未装脉动衰减器，管道内最大的压力脉动峰峰值为ΔPb，装入脉动衰减器的最大压力脉动峰峰值为ΔPa，则压力脉动衰减率为
Figure BDA0002253457030000022
设液压系统未装脉动衰减器的压力脉动为ΔP0，装入脉动衰减器的压力脉动为ΔP1，则脉动衰减率为
Figure BDA0002253457030000023
设液压系统未装脉动衰减器管道负载端的压力脉动为P2′，装入脉动衰减器管道负载端的压力脉动为P2，则插入损失为
Figure BDA0002253457030000024
本发明提出的一种基于计算流体力学的压力脉动衰减器三维仿真方法，其优点和功效是：
本发明在液压油属性参数设置时考虑了其弱可压缩性，和摩擦生热及热传导产生的温度变化对其动力粘度的影响，相较以往忽略热影响的绝热条件，更符合实际试验情况，结果更真实可靠。
本发明在压力脉动衰减器出口处接入节流孔的负载模型，使用节流孔降低压力的效果来模拟实际负载，相较不接入负载模型的仿真结果与理论数学模型吻合更好。
同时本发明使用n(n≥2)个串联的节流孔，由节流孔直径计算公式
Figure BDA0002253457030000031
可知，薄壁型节流孔压降与直径呈非线性关系，在压降较大的情况下，压降对于节流孔直径尺寸的变化十分敏感，为了方便控制负载模型孔前，即压力脉动衰减器的平均压力值，将一个直径较小的节流孔等效成n(n≥2)个串联的直径较大的节流孔，可以分担整个系统的压降，减小节流孔直径带来的误差；同时也可以降低整个仿真流域内的最大流速，避免在仿真过程中出现射流等情况，有利于提高仿真精度。
附图说明
图1为本发明所述方法的压力脉动衰减器三维仿真流程图；
图2为本发明压力脉动衰减器和负载建模示意图。
上述图中的各标记意义如下：
I-压力脉动衰减器；II-负载；1-压力脉动衰减器入口；2-压力脉动衰减器出口；3-负载入口；4-负载出口；d1-压力脉动衰减器入口直径；d2-压力脉动衰减器出口直径；d-节流孔直径；l-节流孔长度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图2所示，是本发明压力脉动衰减器和负载建模示意图。其中I为压力脉动衰减器；II为负载，由五个串联的节流孔组成；1、2分别为压力脉动衰减器入口和出口；3、4分别为负载入口和出口；d1、d2分别为压力脉动衰减器入口和出口直径；d为节流孔直径；l为节流孔长度。
本发明一种压力脉动衰减器三维仿真方法，如图1所示，其具体步骤为：
步骤1：根据需要仿真的压力脉动衰减器，进行模型简化并建立流体域三维模型I，同时根据压降确定节流孔数量n(n≥2)和节流孔直径d，本发明实施例为：q0＝48L/min，Cd＝0.68，ρ0＝1037kg/m3，ΔP＝27.8MPa，n＝5，则根据节流孔直径计算公式
Figure BDA0002253457030000041
可得d＝3.8mm，这里需用节流孔数量n(n≥2)的取值来保证节流孔直径不小于3.5mm，以避免出现射流，保证仿真的准确性。，同时，节流孔长度l应不小于2mm，建立负载流体域三维模型II，并将二者组成图2所示的装配体。
步骤2：选择合理的网格类型和大小对上述三维模型进行网格划分，为了保证仿真的准确性，应对节流孔处的网格进行局部加密，保证在节流孔长度方向上至少有5层网格，并进行网格质量检查。
步骤3：进行仿真前处理，由于流量脉动是周期性的，使用瞬态模拟；根据实际液压油设置其属性参数，使用UDF(User defined function用户自定义函数)建立其密度函数和黏温特性；脉动衰减器入口1处设置为质量入口，以保证弱可压缩性液压油的仿真准确性，脉动衰减器出口2处和负载入口3处设置为交界面，负载出口4处设置为压力出口；根据实际脉动频率设置合理的时间步长，需保证一个周期内最少有20个数据点。步骤4：提取关键点即脉动衰减器入口1、脉动衰减器出口2、负载入口3、负载出口4处的压力脉动数据，进行数据处理分析，通过计算压力脉动衰减率、脉动衰减率和插入损失来对压力脉动衰减器衰减效率进行评估。设液压系统未装脉动衰减器，管道内最大的压力脉动峰峰值为ΔPb，装入脉动衰减器的最大压力脉动峰峰值为ΔPa，则压力脉动衰减率为
Figure BDA0002253457030000042
设液压系统未装脉动衰减器的压力脉动为ΔP0，装入脉动衰减器的压力脉动为ΔP1，则脉动衰减率为
Figure BDA0002253457030000043
设液压系统未装脉动衰减器管道负载端的压力脉动为P2′，装入脉动衰减器管道负载端的压力脉动为P2，则插入损失为
Figure BDA0002253457030000044

Claims (2)

1.一种压力脉动衰减器三维仿真方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤1：确定需要仿真的压力脉动衰减器，进行模型简化并建立流体域三维模型，同时根据压降确定节流孔数量n和直径，建立负载流体域三维模型，并将二者组成装配体；
步骤2：选择合理的网格类型和大小对上述三维模型进行网格划分，并进行网格质量检查；
步骤3：进行仿真前处理，使用瞬态模拟，根据实际液压油设置其属性参数，脉动衰减器入口设置为质量入口，脉动衰减器出口和负载入口设置为交界面，负载出口设置为压力出口，根据实际压力和脉动频率等情况选择合理的求解器与时间步长；
步骤4：提取关键点的压力脉动数据，进行数据处理分析，通过计算压力脉动衰减率、脉动衰减率和插入损失来对压力脉动衰减器衰减效率进行评估；设液压系统未装脉动衰减器，管道内最大的压力脉动峰峰值为ΔPb，装入脉动衰减器的最大压力脉动峰峰值为ΔPa，则压力脉动衰减率为
Figure FDA0002253457020000011
设液压系统未装脉动衰减器的压力脉动为ΔP0，装入脉动衰减器的压力脉动为ΔP1，则脉动衰减率为
Figure FDA0002253457020000012
设液压系统未装脉动衰减器管道负载端的压力脉动为P2′，装入脉动衰减器管道负载端的压力脉动为P2，则插入损失为
Figure FDA0002253457020000013
2.根据权利要求1所述的一种压力脉动衰减器三维仿真方法，其特征在于：所述的节流孔数量n≥2。
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