水刺头供水管网液流脉动特性的研究 62页

'原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：冽刀蓼日期：删≯·尹学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。仍：密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：钐锅日期：矽户，勿． 摘要伴随着水刺无纺布产业的快速发展，在水刺无纺布生产过程中出现的问题也逐渐的引起了人们的重视。其中，问题之一就是水刺头供水管道系统内部液流脉动问题。管道内部液流脉动不仅会严重影响到无纺布的质量，而且还会造成管道振动，甚至破裂等问题。因此，研究水刺头供水管道内部液流脉动问题就显得尤为重要。文章首先介绍的是本课题的来源与背景，以及近年来国内外对液流脉动研究的进展情况。然后在第二章中介绍了本课题的研究对象，即水刺头供水管网的构成，并指出了目前主要存在的问题。接下来的第三章则针对水刺头供水管网系统中所采用的三缸单作用高压柱塞泵，利用理论分析的方法研究了其进出口产生液流脉动的机理，并提出了衰减出口液流脉动以及将高压泵进口与主供水管道隔离的措施(即在高压泵出口加压力脉动衰减器对液流脉动进行衰减，．在进口加隔振器将高压泵与主供水管道进行隔离)。而后的第四、五章则分别应用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)方法，通过专业的CFD软件FLUENT对压力脉动衰减器和隔振器进行了仿真分析，并针对影响它们工作效率的某些参数进行了优化设计。文章的第六章则提出了有关实验验证的方案，并将衰减器应用到了实际生产中。最后第七章是对全文的总结。即通过在水刺头供水管道高压泵进出口加装隔振器和衰减器能够很好的解决由压力脉动j带来的管道振动问题，以及为解决类似问题提供了一种新的方法一计算流体力学方法。关键词：水刺头液流脉动脉动衰减器隔振器CFD方法FLURNT软件流场仿真论文类型。应用研究 AbstractWiththerapiddevelopmentofspunlacenon·wovenfabricsindustry,theproblemshappenedinthespunlacenon-wovenmanufacturingprocessweregraduallyattractedpeople’Sattention．Oneoftheproblemsistheflowpulsationinthewaterpipesuppliedforthewaterjets．Theflowpulsationinthewaterpipewillnotonlyseriouslyaffectthequalityofnon-wovenfabrics，butalsocausepipevibration,evenruptureandSOon．Therefore，thestudyoftheflowpulsationinthewaterpipebecomesparticularlyimportant．Introductionfirstdescribesthesourceandbackgroundofthisissue，andthenintroducedtheprogressofresearchmethodsabouttheflowpulsationathomeandabroadinrecentyears．Thenextchapterdescribestheductworksupplywaterforwaterjetsandthemainproblemaboutit．Andthettlirdchapterstudytheflowpulsationmechanismoftriplexhighpressurepistonpumpusedinthissystemimportandexport、7l，itIltheoreticalanalysismethod，andproposemeasurestoattenuationtheflowpulsationofhigh-pressurepumpexportandtoseparatethehigh-pressurepumpimportandthemainwatersupplypipes(tousethepressurepulsationattenuatortoattenuationtheflowpulsationofhigh-pressurepumpexportandusetheisolatortoseparatethehigh-pressurepumpimportandthemainwatersupplypipes)．NextchapterIVandVanalyzetheflowfieldofthepressurepulsationattenuatorandtheisolatorbasedontheFLUENTsoftwarewhichisveryprofessionalbymeansofthecomputationalfluiddynamics(CFD)method，thenresearchandoplimizesomefactorsabouttheirconfigurationwhichmayaffecttheresult．ChapterVIproposestheexperimenttoverifythesimulationmodel，andtheattenuatorhadbeenappliedintheactualproductionprocess．Thelastchapteristhesummaryofallthepaper．Thatis，theproblemaboutpipevibrationcausedbytheflowpulsationCanbesolvedbytoinstallthepressurepulsationattenuatoratthehigh—pressurepumpexportandtheisolatoratthehiigh-pressurepumpimport，alsothepaperprovidesanewmethodtosolvesimilarproblems-ComputationalFluidDynamics(CFD)method．11 Keywords：waterjets；flowpulsation；pressurepulsationattenuator；isolator；CFDmethods；FLURNTsoftware；FlowfieldsimulationPaperType：AppliedResearchlII 目录l绪论．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯．．⋯⋯⋯．．．⋯．．⋯．11．1课题的来源与背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2国内外对液流脉动问题研究综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．3课题提出的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．41．4本文的研究方法及主要工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．42水刺头供水管网的构成及存在的问题．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．62．1水刺法无纺布的工艺原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62．2水刺头供水管网水循环系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．93高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施⋯．⋯⋯⋯⋯⋯103．1高压泵进出口压力脉动机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯103．1．1三缸单作用高压柱塞泵工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯103．1．2三缸单作用高压柱塞泵产生压力脉动的机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．113．2高压泵出口液流脉动衰减措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．133．3高压泵进口液流脉动隔离措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．153．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．164脉动衰减器流场仿真分析及优化设计⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯．174．1计算流体力学基础知识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．174．1．1计算流体力学的概念及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．174．1．2应用CFD方法的工作步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯184．1．3常用CFD软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯184．2脉动衰减器的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．204．3脉动衰减器的流场仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20lV 目录4．3．1建立几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．204．3．2划分网格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2l4．3．3设定边界条件和流场区域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214．4脉动衰减器的流场仿真计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯224．4．1选择求解器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯224．4．2确定湍流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．234．4．3确定流体材料及运行环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯254．4．4定义边界条件和流场区域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯254．4．5设置求解控制参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯254．4．6流场初始化并进行迭代计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．274．5脉动衰减器仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．274．6脉动衰减器的优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．284．6．1衰减效果与脉动频率的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．284．6．2衰减效果与挡板长度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．294．6．3衰减效果与挡板角度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l4．6．4衰减效果与挡板距离的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．334．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．345隔振器流场仿真分析及优化设计⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯355．1隔振器的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．355．2隔振器的流场仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．375．2．1建立几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．375．2．2划分网格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．375．2．3设定边界条件和流场区域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯385．3隔振器的流场仿真计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．385．3．1选择求解器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯385．3．2确定湍流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．385．3．3确定流体材料及运行环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯385．3．4设定边界条件和流场区域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39V 目录5．3．5设置求解控制参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯395．3．6流场初始化并进行迭代计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．395．4隔振器仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯395．5隔振器的优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．405．5．1隔振效果与脉动频率的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．415．5．2衰减效果与进1：3位置的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．425．5．3衰减效果与挡板圆弧角度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯445．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．456消振和隔振装置的实验研究⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯466．1实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．466．2实验系统的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．466．2．1实验系统原理简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯466．2．2实验系统主要元件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．476．3实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯496．4实际工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯506．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．507结论与展望⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．517．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．517．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l参考文献⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯52个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果⋯⋯．⋯⋯．．54附录⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．55致谢．．⋯．．．⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．．56VI 1绪论1绪论1．1课题的来源与背景纺织行业是我国传统的支柱产业，也是重要的民生产业，是国民经济的重要支柱之一。长期以来，纺织行业在满足人民生活需要、吸纳就业、增加出口创汇、积累建设资金以及带动相关产业发展等方面发挥了重要作用，为我国社会经济发展做出了重要贡献。作为纺织行业中非常年轻的无纺布产业，经过几十年的发展，取得了令人瞩目的成就，已经在现代纺织工业中占据重要一席。可以预见，不久的将来，无纺布产业将会变成纺织行业中最具发展优势的产业。无纺布是一种直接利用高聚物切片、短纤维或长丝通过各种纤网成形方法和固结技术形成的具有柔软、透气和平面结构的新型纤维制品。它的制作不需要纺纱、织布，因而也叫非织造布【11。根据生产工艺的不同，无纺布可以分为：水刺无纺布、热合无纺布、浆粕气流成网无纺布、．湿法无纺布、纺粘无纺布、熔喷无纺布、针刺无纺布以及缝编无纺布等八大类[21。水刺无纺布是将高压微细水流喷射到一层或多层纤维网上，使纤维相互缠结，从而使其得以加固而具备一定强力的非织造布【3】。我国水刺无纺布产业起步较晚，但发展十分迅速。虽然目前水刺无纺布在整个无纺布产业中所占比例较低，仅为6．3％，但可以预见，水刺无纺布将会是一种新兴的、非常具有发展前景的无纺布品种【4’引。伴随着水刺无纺布产业的快速发展，在水刺无纺布生产过程中出现的问题也逐渐的引起了人们的重视。其中，问题之一就是水刺头供水管道系统内部流体液流脉动问题。管道内部流体液流脉动不仅会严重影响到无纺布的质量，而且，据现场调研，水刺头供水管道系统中很多问题都是由管道内部液流脉动直接或间接导致的，如管道振动，压力表损坏以及管道接口泄漏等，且当液流脉动严重时还有可能会导致管道振裂等，从而造成非正常停产，影响正常作业。基于此，为了改善水刺无纺布的产品质量，提高其生产效率，以及解决现场调研所发现的一系列问题，就迫切需要对水刺头供水管道系统内部液流脉动特性进行研究，并找到抑制其液流脉动的方法。 l绪论1．2国内外对液流脉动问题研究综述液流脉动问题是液压系统常见问题之一。由于液压系统中液压泵不可或缺，而液压泵正常工作的前提就是要有互不相连的、容积在不断变化的两个密封工作腔，因而工作时不可避免地会存在液流脉动[61。而对消减液压系统流量脉动的研究也伴随于液压系统的成熟和发展。在17和18世纪液压理论发展的最初阶段，就出现了蓄能器的简单模型：用装满水的容器作质量块的重锤式蓄能器17J。在1871年，美国的Balduin就申请了有关蓄能器的第一项专利【8】。第二次世界大战后期，由于液压系统在军事武器制造业方面受到青睐，液压技术得到了飞速发展，针对成熟液压控制理论和实用技术的蓄能器研究逐步受到重视。出现了一些比较成熟的蓄能器(如弹簧式蓄能器等)用于消减液压系统中的压力脉动191。从20世纪六十年代开始，研究人员开始重视消减液流脉动方面的基本理论研究。1965年，JohnQ．Russell基于集中参数频率法，在一定的假设条件下，分析了具有节流负载的系统，建立了蓄能器与主管路连接点处的脉动压力与脉动流量之间的传递函数【lo】。日本的市川常雄、竹中利夫等人则从液压管路系统脉动形成及传递机理入手，分析各元件脉动产生的原因，从而针对较典型的液压系统，分析如何衰减其压力脉动18】。1967年，日立制作所的一柳健等人做了液压阀、衰减器的动态分析及直接和间接型液压系统的振动分析，并提出了利用衰减器同油柱的振动系统来消除液压升降机振动的方法。在进入七十年代以后，在过去研究的基础上，他又研制了高频脉动衰减用蓄能器，并针对齿轮泵的脉动衰减做了实验研究。同时，又对蓄能器系统衰减压力脉动及液压冲击做了进一步的理论分析。他认为系统中压力脉动的主要来源是高速泵，阀口节流也是造成压力高频脉动的原斟11】。1969年KenIchiryu则分析了蓄能器中气囊的运动情况，并对它的物理模型作了简化【121。1970年又进行了通过改变气囊的截面积来改变蓄能器对高频脉动作用的研究【l31。在英美等国，则针对简单模型系统，分析衰减器与系统的匹配问题，以便最大限度的衰减压力脉动【14,15,161。七十年代开始，对消减液流脉动有关课题的研究有进一步的发展。西德BrauschweigI业大学博士D．Hoffmann，在利用蓄能器及其它专用衰减元件衰减管路系统的压力脉动方面做了较多研究【l¨。而Delmag机械制造厂研究组长，2 1绪论Stuttgart大学科学研究研究助Nw．Herzog，在集中参数法基础上着重研究了单扩张式衰减器的性能，并在负载为闭端的状态下，将之与机械振动系统做比较【l引。日本的井定判191、山口知使【20】等对液压系统压力脉动进行了理论分析和试验研究。八十年代以来，随着计算机技术的飞速发展，世界各国对消减液流脉动的研究也越来越深入，涉及面也越来越广。在英、美、西德等国，就将脉动衰减器及系统节能效果方面的研究成为重点。日本的EKojima和N．Matsubara等采用瞬态测试方法对蓄能器的传递矩阵进行了测定12¨。在我国，对消减液流脉动方面的研究也取得了很多研究成果。1981年哈尔滨工业大学的苏尔皇就讨论了如何在液压回路中正确地使用蓄能器以消减液压脉动1221。1988年曾祥荣等对共振型液压滤波器进行了研究1231。1991赵克定、李尚义等人发表了对并联和串联囊式蓄能器进行理论研究和仿真分析的论文【24J。1985年西安交通大学曹刚，史维祥等开展了液压滤波器的研究，取得了一些研究成果【25郐1；后来，邢科礼，葛思华等又对新型串联式蓄能器进行了理论分析，并对其安装位置进行了研究【27】。北京航空航天大学的李培滋等人研制了具有滤波，消声和油液过滤的三合一滤波器12引，李运华等人研制了主动液压滤波器f矧，张燕等对穿孔结构流体滤波器的参数进行优化设计研究【3们。另外，很多高校的硕士研究生在校期间，对衰减器的研究也做了部分工作，如2004年毕业于西南交通大学的单长吉【31】，2008年毕业于华中科技大学的窦雨淋【8】等。需要强调的是，近些年来，消减液流脉动的装置的种类、结构也开始多样化。例如，蓄能器有串联蓄能器、并联蓄能器【24】、在管道外部加橡皮囊的蓄能器1221等；。姻成器有球腔型脉动衰减器【32’331、分流。集流型脉动衰减器【34"351、涡流型脉动衰减器【36】及挡板型脉动衰减器等。综上可知，对液流脉动的研究历史久远，成就突出，对于消减液流脉动的方法研究的也较多，但对消减液流脉动装置进行研究多是基于抽象的理论分析，这样给人的印象不够!龃观；抑或者做较多的实验进行验证，这样代价较高。本文尝试应用计算流体力学的方法对消减液流脉动的装置进行研究，希望能探索到研究同类问题的一种新方法、新思路，以便为国家经济建设服务。 1绪论1．3课题提出的意义前面提到，在水刺无纺布生产过程中出现的问题之一就是水刺头供水管道系统内部液流脉动问题。管道内部流体液流脉动不仅会严重影响到无纺布的质量，而且还会导致水刺头供水管道振动，压力表损坏以及管道接口泄漏等，严重时甚至还有可能会导致管道振裂以至酿成事故，造成生命财产的损失等。管道液流脉动不仅仅在水刺法无纺布生产线水循环系统中造成很多问题，在化工、石油、电力、建筑、军事等很多行业都存在着很多由于管道液流脉动造成的问题，最直接的结果就是造成管道振动。而管道振动会使管道结构及其附件产生疲劳破坏，使管道的连接部件及仪器仪表等产生松动和损坏，轻则影响生产效率、造成能源浪费，重则导致破裂引起爆炸等严重恶性事故【37】。从管道振动的机理而言，管道振动是一类特殊的机械运动，是典型的力学现象。引发管道振动的最主要原因是由间隙性加压造成的流体脉动所引起的。由于间隙加压，管道内的压力在平均值上下脉动(或称波动)，即产生所谓压力脉动。而在管道的弯曲部位、直径变化的部位或通过控制阀等处，压力的脉动就会产生相应的随时间而变化的激振力。正是这些激振力，激发管道系统发生振动【381。综上可知，管道内部流体的液流脉动会造成很多危害，因而研究管道内部流体的液流脉动，找到消减其脉动的方法，就显得特别重要。本课题是研究水刺头供水管网液流脉动问题，此问题的研究解决不仅仅可以改善在水刺无纺布生产环节中的液流脉动问题，提高无纺布生产效率和质量，而且可以为其它行业解决液流脉动问题提供参考，为国家经济建设服务。1．4本文的研究方法及主要工作对于消减水刺头供水管道高压泵进出口液流脉动所采用元件的研究，主要考虑其内部流场问题，而研究流场问题，主要采用理沦分析、实验测试及计算流体动力学分析(CFD)等三种方法。理论分析所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，它是指导实验研究和数值计算方法的理论基础。但由于其要求对计算对象进行抽象和简化，只有少数流动才能给出精确解析解。实验测量真实可信，它是理论分析和数值方法的基础。但实验要受到很多因素的影响，有4 1绪论时甚至不可能进行实验。CFD方法克服了上述两种方法的不足，它在计算机上实现一个特定的计算，犹如在计算机上做实验，可以形象地再现流动情景【埘J。本文将会利用理论分析和数值仿真的方法，研究高压泵进出口液流脉动的机理，提出衰减出口液流脉动以及将高压泵进口与主供水管道隔离的措施，并将应用CFD方法，通过专业的CFD软件FLUENT分别对压力脉动衰减器和隔振器进行仿真分析，以及针对影响它们工作效率的某些参数进行优化设计。 2水刺头供水管网的构成及存在的问题2．1水剌法无纺布的工艺原理水刺无纺布是将高压微细水流喷射到一层或多层纤维网上，使纤维相互缠结，从而使纤网得以加固而具备一定强力的非织造布。这种无纺布的生产是通过以高压微细水流产生水刺作用达到目的的，因此，这种工艺方法称为水刺法。图2．1是水刺法加固纤网原理图。当纤网在前面牵引力的作用下进入水刺区后，纤网中的纤维会受到水刺头喷水孔微细水射流的垂直作用，另外，它还要受到托网帘反弹的部分穿透纤网的水射流的散射作用。在这双重作用下，纤网中的纤维会发生位移、穿插、缠结、抱合，形成无数个柔性缠结点，这样就会使纤网得以加固⋯】。托持同帘娣图2．1水刺法加固纤网原理图水刺法加固纤网主要有平网水刺加固、转鼓水刺加同和转鼓与平网相结合的水刺加固等三种方式。图2．2平网水刺加固示意图6 2水刺头供水管网的构成及存在的问题图2．2和图2．3分别是平网水刺加固和转鼓水刺加固示意图。无论是平网水刺加固，或是转鼓水刺加固，抑或是转鼓与平网相结合的水刺加固，三种方式所用到的水刺头的数目都不仅仅一个，且水刺头的作用也不尽相同，有的是预湿，有的是加固，也有的是水刺提花等。由于水刺工艺中用到的水刺头数目不止一个，且作用又不尽相同，所以在水刺头供水系统中就会形成管网，具体形式参见下一节内容。图2．3转鼓水刺加固示意图2．2水剌头供水管网水循环系统由图2．1水刺头加固纤网原理可知：在水刺工艺中，使用过的水受到的污染程度有限，具有重复利用的价值。再者，水刺工艺对水的需求量非常大(据统计，当水刺无纺布产量达到每小时5吨时，其用水量需要达到150-160吨Ⅲ1)，因此为了节约水资源，降低成本，就必须采用水循环处理系统。典型的水刺头供水管网水循环系统包括气水分离器、水处理系统、高压泵、补水泵、风机、管道以及蓄水罐等。图2．4是水刺头供水管网水循环系统示意图。图2．4中，并列的几台(图中为三台)高压泵分别向与其相连的水刺头供水(为防止高压泵进口补水不足，要在主供水管道上加补水泵进行补水)，从水刺头射出的高压微细水流对纤网进行加固，使用过的水统一由脱水箱回收，并在风机作用下回流，回流的水经气水分离器分离出所含空气，然后进入水处理系7 2水刺头供水管网的构成及存在的问题统对水质进行过滤、净化等处理，最后流入蓄水罐以循环利用。另外，在蓄水罐上还接有外来管道(未画出)，以便补充在循环过程中所损耗的水分。图2．4水刺头供水管网水循环系统示意图由图2．2和图2．3的平网水刺和转鼓水刺加固示意图以及图2．4水刺头供水管网水循环系统示意图可以看出，在水刺加固工艺中要采用多个水刺头(一般为7~12个)，且每个水刺头的压力也不尽相同。水刺头的压力设置通常为低一高一低。压力范围一般在6,-．,25MPa之间。水刺头的压力主要通过建立的闭环控制回路进行控制，即在高压泵的出口建立反馈环节，利用压力传感器将高压泵的出口压力信号与设定的压力信号进行比较，并根据比较结果控制调速电机的变频器，进而控制高压泵的转速，以达到控制压力的目的。根据水刺加固工艺原理可知，水刺头的供水压力会直接影响到水刺无纺布的质量，高压泵出口的液流脉动较大，将会导致无纺布受压不均。另外，在生产过程中，还出现了管道振动，压力表损坏以及管道接口泄漏等问题。究其原因，这些问题主要是由于管道内部液流脉动直接或间接导致的。因此，寻找抑制管道内部液流脉动的方法就显得尤为重要。消减管道内部液流脉动，通常可以通过加装蓄能器的方法来实现，但在实际生产过程中，此种方法效果并不理想。这种结果可能是由于蓄能器安装和使用不当造成的，但也跟高压泵的较大流量以及脉动频率频带较宽有较深关系。这就迫切需要寻求一种简单、可靠地8 2水刺头供水管网的构成及存在的问题替代方法。据此，本课题的进行就具有非常重要的工程实际应用价值。2．3本章小结本章主要介绍了水刺法无纺布的工艺原理，以及水刺头供水管网水循环系统的组成和在实际生产过程中主要存在的问题，指出研究水刺头供水管网液流脉动问题具有重要的工程实际应用价值。9 3高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施3．1高压泵进出口压力脉动机理3．1．1三缸单作用高压柱塞泵工作原理水刺头供水管道的压力脉动主要是由于高压泵的流量脉动引起的。流量脉动是液压泵的一个固有特性，液压泵能够给液压系统供油，其条件之一就是其密封工作腔的容积要能够交替变化⋯，这就决定了吸入液压泵的液体以及由液压泵泵出的液体流量在不断地变化，正是由于此流量的变化才导致了其压力也在不断地变化。水刺头供水管道系统所采用的三缸单作用高压柱塞泵其工作原理如图3．1所示。审审妒lol。l殄坚肆审图3．1三缸单作用高压柱塞泵工作原理图口水一如图3．1所示，三缸单作用高压柱塞泵的曲轴由外在动力驱动，曲轴旋转时通过连杆带动柱塞上下运动。柱塞向上运动过程中，容腔容积逐渐减小，压力逐渐增大，液体通过出水阀压向高压泵出口，而此时由于进水阀处于关闭状态，液体不能通过进水阀流出；当柱塞向下运动时，情况正好相反，此时容腔容积逐渐增大，压力逐渐降低，液体通过进水阀吸入高压泵，此时出水阀则处于关闭状态，液体不能通过出水阀吸入。这样，曲轴每旋转一周，三个柱塞都会往复运动一次，完成一次吸液和压液动作，曲轴连续转动，就会将机械能转化为10 3高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施液体的压力能。3．1．2三缸单作用高压柱塞泵产生压力脉动的机理图3．2为三缸单作用高压柱塞泵中某一柱塞的运动示意图以及在不考虑高压泵中曲轴、连杆以及柱塞等的重力影响时某一瞬时的速度矢量图。_一雾Vl绳‘》髭雪蘧／，_／，。(a)运动示意图(b)速度矢量图图3．2某柱塞某瞬时的运动示意图及速度矢量图如图3．2(b)所示，曲柄洲绕D点以角速度∞旋转，彳点速度V彳=R∞，方向与洌垂直；连杆AB作平面运动，以点彳为基点，点B的速度为：V口=V爿+V删，方向沿伽方向；V删方向与AB垂直。V口，V』和V删可组成图中所示的速度平行四边形。根据速度平行四边形可得：由于屹=Ro)，口+y=900，p+日=90。。另外￡尺一==一sin0sina将式3．2等代入式3．1，并进行化简，得：(3．1)(3．2)yS∞吖∥．芎jw‰邛=∞卢．氓％咯=％％，●●●‘●【 3高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施』v_1，B硼饷．S抽¨m妒c0妇·伽a(3．3)I三．sina=月．sin0又由于：sin0=cos(耐)根据实际生产所用泵的参数，取L／R=5，R=47．5mm，当∞=62．Brad／s时，柱塞轴向速度’，的曲线如图3．3所示。图3．3三缸单作用柱塞泵单个柱塞轴向速度曲线图同理，可求得与其相位相差120。和240。的另外两个柱塞的轴向速度，又根据g=Av可知，单个柱塞输出的瞬时流量曲线与其速度曲线趋势相同。这样可以求得三个柱塞的瞬时流量，将这三个柱塞的瞬时流量相加，不考虑泄漏的情况下，可得到该高压泵的理论瞬时流量g：g=∑级(汪1，2，3)(3．5)i=i根据柱塞泵参数，求的其柱塞面积为A=0．0023m2，将理论瞬时流量g绘制成曲线，如图3．4所示。12 3高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施图3．4三缸单作用柱塞泵理论流量曲线图由图3．3和图3．4可知，柱塞的轴向速度v、瞬时流量玑以及泵的理论瞬时流量q都是时间t的函数，都随着时间t的变化而变化。这正是造成高压泵出1：3液流脉动的原因所在，或者说高压泵出口的液流脉动正是由于泵的间隙加压造成的。同理：进入高压泵液体的速度和流量将会与高压泵输出液体的速度和流量有着类似的变化规律，这样，进入高压泵液体的速度和流量也在不断的变化，这种速度和流量的变化就是高压泵进口的液流脉动。综上可知：高压泵出口的液流脉动是由于泵的间隙加压造成的；高压泵进口的液流脉动是由于泵的间隙吸入造成的。需要注意的是，上面的哩论分析结果是根据泵的角速度为∞=62．8rad／s得到的，在实际生产过程中，每个泵的工作状态是不同的，即泵的转速是不同的，这样由柱塞泵输出的流量脉动的频率也就会不同。流量脉动的频率由泵的转速来确定。3．2高压泵出口液流脉动衰减措施高压泵输出流体的压力脉动，可以通过改变高压泵本身结构来降低，也可以通过外在元件来衰减。通过外在元件来衰减高压泵出口的压力脉动主要有两种方法：一是安装蓄能器；二是安装衰减器。现分别予于介绍。 3高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施蓄能器是液压系统中的蓄能元件，通过其蓄能作用，可以在系统压力高时吸收系统压力，将其转化为蓄能器中弹簧或者气体的压力，在系统压力低时能量进行相反的转化，为系统加压。正是基于这种工作原理，蓄能器可以安装在高压泵的出口处，吸收液压泵的压力脉动。根据液体进出蓄能器回路的方式，可以将蓄能器分为两类：并联式蓄能器和串联式蓄能器。并联式蓄能器应用最为普遍，其结构如图3．5(a)所示。按照蓄能器内部储能元件不同，并联式蓄能器又包括弹簧式和充气式两大类。串联式蓄能器与并联式蓄能器的不同之处在于它的进出油口是分开的，蓄能器串联于油路中，其结构如图3．5(b)所示。蓄能器是通过蓄能元件与系统压力之间能量转化来吸收压力脉动的，而衰减器中没有蓄能元件，它主要是依靠容腔以及内部挡板的共同作用，使在湍流状态下流动的液体的涡流尺度变小，流体的流动趋于平衡，从而使其压力脉动得以衰减。衰减器按照其容腔形状及挡板的不同形式可以分为多种类型，现介绍其中的四种(如图3．6所示)。图3．6所列出的四种类型的衰减器中，球腔型脉动衰减器结构简单，但其仅靠球腔对压力脉动进行衰减，衰减效果相对较差；分流．集流型脉动衰减器衰减效果较好，但其压力损失较大；涡流型脉动衰减器也是靠容腔的作用来衰减压力脉动，其衰减效果较好，但其改变了流体流动方向；挡板型脉动衰减器结构简单，靠容腔和挡板的共同作用来衰减压力脉动，衰减效果较好。考虑衰减效果及尽量减小压力损失，针对水刺头供水管道系统中的液流脉动，选择了挡板型脉动衰减器来对其进行衰减，仿真结果表明，这种衰减器衰减效果较好，能够满足实际生产需要。口(a)并联式(b)串联式图3．5蓄能器结构示意图14 3高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施(a)球腔型髟∥形∥∥∥∥形f勿j急j．I，一必嘲k．≯‘』飞筐(c)涡流型(b)分流-集流型(d)挡板型图3．6脉动衰减器结构示意图3．3高压泵进口液流脉动隔离措施由前面介绍可知，高压泵进口的液流脉动主要是由于泵的间隙吸入造成的。由泵的间隙吸入引起的管道进口的液流脉动，容易导致进口管道的破裂，酿成生产事故，因此，将这种液流脉动与主供水主管道进行隔离就显得尤为重要。这也是本论文的研究内容之一。通常情况下，可以通过增加管径、减小管长等方法来减小进口的液流脉动，但这类方法效果不明显，在生产现场没能彻底解决这一问题。本文尝试在高压泵进口加隔振器的方法来解决这一问题。隔振器主要是靠内部容腔和挡板的共同作用使高压泵进口的液流脉动得于消减。关二F隔振器的原理和仿真研究将在第五章中详细介绍。图3．7是隔振器的结构示意图。 3高压泵进出口压力脉动机理及抑制措施图3．7隔振器结构示意图3．4本章小结本章主要通过理论分析的方法，分析了三缸单作用高压柱塞泵进出口产生液流脉动的机理，指出高压泵出口的液流脉动主要是由于泵的间隙加压造成的，而高压泵进口的液流脉动主要是由于高压泵的间隙吸入造成的。在此基础上，分别提出了衰减高压泵进出口液流脉动的措施，即在高压泵出口加脉动衰减器，在高压泵进口与主供水管道之间加隔振器。16 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计前一章研究了水刺头供水管网高压泵进出口液流脉动的机理，并提出了利用挡板型脉动衰减器对高压泵出口液流脉动进行衰减的措施。本章将应用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)方法，通过专业的CFD仿真软件FLUENT对脉动衰减器的流场进行仿真分析及优化设计。4．1计算流体力学基础知识4．1．1计算流体力学的概念及意义计算流体力学(CFD)是通过数值方法求解流体力学控制方程，得到流场的离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。其基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场(如速度场和压力场等)，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值【39’4“3,441。任何流体的运动都遵循以下3个基本定律：①质量守恒定律；②动量守恒定律；③能量守恒定律。通过这些基本定律以及相关的本构模型和状态方程，流体的运动一般可以由偏微分方程(组)来描述，这些方程就被称为流体运动的控制方程。CFD可以看作是在控制方程的控制下对流体流动的数值模拟。通过这种数值模拟，及日趋完善的各种反映不同性质和状态下流体流动的控制方程，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况等，还可以据此算出相关的其他物理量。这就为解决复杂的流体流动问题提供了一种全新的方嫩FD方法。CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。理论分析方法所得结果具有普遍性，它是指导实验研究和数值计算方法的理论基础。但由于其要求对计算对象进行抽象和简化，只有少数流动才能给出精确解析解。实验测量方法结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础。但实验要受到模型尺寸、测量精度等很多因素的限制，有时甚至不可能通过实验得到结果。CFD方法克服了上述两种方法的不足，它在计算机上实现一17 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计个特定的计算，犹如在计算机上做实验，可以形象地再现流动情景。4．1．2应用OFD方法的工作步骤应用CFD方法对流体流动进行数值分析时，通常遵循以下步骤：明确所研究的问题及流动条件。在对流体流动问题进行数值分析前，首先应明确所研究的问题。这其中主要包括流场的几何区域、流动条件以及对于数值模拟的要求等。几何区域指的是所研究问题的空间几何形状，它是划分网格的基础。流动条件主要包括流体流动的雷诺数、马赫数、以及边界处的速度、压力等。关于数值模拟的要求，主要包括数值模拟的精度、计算所花费的时间，及所感兴趣的流动参数等。建立反映所研究问题的数学模型。明确所研究的问题后，需要建立能够反应所研究问题的数学模型，具体的说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件。流体流动的基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程。建立所研究问题的数学模型，需要根据其特点，选择相应的基本控制方程或者其它经过发展的控制方程以及这些方程的定解条件。确定网格划分策略及计算方法。在CFD方法中，网格可以划分为不同种类，可以是结构网格，也可以是非结构网格，还可以是组合网格；另外，网格可以是静止的，也可以是运动的，还可以根据数值解动态调整(自适应网格)。这里的计算方法即包括对控制方程的离散化，又包括其相应的求解方法。其中，数值离散化方法有有限差分、有限体积、有限元、谱方法等。需要根据所研究的问题选择合适的网格划分策略及高效、准确的计算方法。编制程序及进行计算。在选定网格划分策略和计算方法的基础上，编制、调试数值求解流体运动控制方程的计算机程序或软件。然后将所研究问题的流动条件和控制参数等输入所编制的程序中，计算所研究问题的数值结果。显示计算结果。在得到数值解后，要对数值解进行显示和分析。计算结果一般通过图表等方式显示，也可以应用流场可视化的软件对流场进行显示、分析。4．1．3常用OFD软件介绍应用CFD方法对流体流动进行分析研究，用户可以自己编写程序，也可以应18 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计用商业软件。现在市场上有很多CFD商业软件，如PHOENICS，CFX，STAR-CD，FLUENT等。这些商业软件功能比较全面、适用性强，可以解决工程实际中的各种复杂问题。PHOENICSPHOENICS是世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件，该软件除了具有通用CFD软件的功能之外，还具有自己独特的功能：①开放性，用户可以根据需要添加自己的程序和模型；②与建模软件的接口；⑨运动物体功能，可以定义物体运动，以解决使用相对运动方法的不足；④提供了多种模型，如湍流模型、多项流模型、燃烧模型和辐射模型等；⑤双重算法功能，即提供了欧拉算法，又提供了拉格朗日算法；⑥该软件还提供了多种模块，应用于特定领域。CFXCFX是第一个通过IS09001质量认证的商业CFD软件，由英国AEATechnology公司开发。它是第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件，其计算速度和稳定性较传统方法提高了很多。于大多数CFD软件不同的是，它除了可以使用有限体积法之外，还采用了基于有限元的有限体积法。基于有限元的有限体积法在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。另外，在湍流模型的应用上，除了常用的湍流模型外，它最先使用了大涡模拟和分离涡模拟等高级湍流模型。STAR．CDSTRD．CD是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件，由CD．adapco集团公司开发、该软件除了具有其他CFD软件共性特征外，主要在网格划分技术上有一定特长。该软件具有多种网格划分技术和网格局部加密技术，具有对网格质量优劣的自我判断功能，它可以求解任意复杂的几何形体，因而该软件在适应复杂计算区域的能力方面具有一定优势。FLUENTFLUENT由美国FLUENT公司开发。它是目前功能最全面、适应性最广、国内使用最广泛的CFD软件。该软件具有较强的网格划分能力、提供了种类丰富的物理模型以及先进的数值计算方法和强大的后处理功能，另外其突出的优点在于其提供的用户自定义函数功能使用户能够解决更加个性化的问题。19 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计4．2脉动衰减器的工作原理上一节介绍了计算流体力学的基础知识，接下来的几节主要通过FLUENT软件对脉动衰减器的流场进行仿真分析。本节首先介绍脉动衰减器的工作原理。图4．1为脉动衰减器的结构原理图。图4．2为脉动衰减器内部流场中间平面上的速度流线图。该jj．j?j!。j。jj|i。j。f?j?魏图4．1脉动衰减器的结构原理图图4．2脉动衰减器流场速度流线图由图4．1和4．2可知，由于衰减器内部挡板的作用，当流体进入衰减器后，会沿着挡板弯曲方向流动，这样会在挡板和容腔的共同作用下，形成涡流，在流动过程中，涡流的尺度会逐渐变小，这样流体运动的不均匀会逐渐得到平衡，从而使流体的压力脉动得到衰减。4．3脉动衰减器的流场仿真模型应用FLUENT软件对流场进行仿真分析，需要首先建立流场的仿真模型。建立流场的仿真模型主要由以下几个步骤：①建立儿何模型，②选择合适的网格划分策略对几何模型进行网格划分，③设定边界条件和流场区域。4．3．1建立几何模型由于FLUENT软件本身不具备建模功能，需要用其前处理软件Gambit或者其他的专业建模软件来进行建模。针对较为规则的流场形状，可以应用Gambit软件完成建模工作，但如果流场形状较为复杂，就要借用其他的专业建模软件了。考虑到要对所研究脉动衰减器进行优化设计，即要对模型进行较大的修改，而20 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计应用专业建模软件的尺寸驱动功能可以高效的完成这个任务。应用专业的建模软件Pro／E建立了流场的几何模型，如图413所示。图4．3压力脉动衰减器几何模型图4．4压力脉动衰减器网格模型4．3．2划分网格几何模型建好以后，通过Gambit软件提供的接口，将其导入Gambit中划分网格。在CFD方法中，网格可以分为结构网格和非结构网格。在结构网格中，各节点排列有序、相邻点之间关系明确。而非结构网格中节点的位置无法用一个固定的法则予以有序的命名。非结构网格相对结构网格生成过程复杂，但其有极好的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题。另外，除了结构网格和非结构网格外，还可以将两者结合，即混合网格。混合网格相对前两者来说，划分成功率更高。为提高划分成功率，本文采用混合网格方案，划分网格后的模型如图4．4所示。4．8．3设定边界条件和流场区域边界条件指的是流动变量等在流场边界处的值，流场区域有定解的条件之一就是所给定的边界条件合理，符合实际情况。FLUENT软件为用户提供了数十种边界条件。在设定边界条件时，可以应用FLUENT软件本身进行设定，也可以通过其前处理软件Gambit进行设定。当然，在Gambit中设定的边界条件，也可以在FLUENT中进行更改。在Gambit软件中对流场的边界条件进行了如下设定：入口处：设定为进口压力边界条件，其压力通过用户自定义函数(UDF)设置，压力按正弦曲线规律变化，幅值为11士1MPa。(该函数程序清单见附录一)出口处l设为出口压力边界条件，压力设为定值11MPa。对称面：根据几何模型可知，整个流场区域上下对称，可以将图4．3中下表21 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计面设为对称面，这样可以大大减小计算量，提高计算效率。壁面。模型中除设置过边界条件的其它面均设为壁面，壁面主要用于限定流场区域。监控面：在离出1340mm处设置压力监控面以监控出口压力[31J。在设置流场区域方面，选择整个仿真模型，设置类型为FLUID。由于Gambit软件中默认的流场区域类型就是FLUID，所以这一步骤可以省略。需要说明的是，此处设置入口处的压力曲线按正弦规律变化，是与第三章的分析结果不符的(第三章中所得到的流量曲线如图3．4所示，压力曲线与之相似)，这主要考虑以下两个因素：第一，在FLUENT软件中，较难生成与图3．4相同的曲线。第二，可以用正弦曲线模拟单缸柱塞泵的流量脉动曲线(压力曲线与之相似，两者都与图3．3相似)，再利用叠加原理来分析衰减效果。4．4脉动衰减器的流场仿真计算上一节主要利用Gambit软件建立了脉动衰减器的流场仿真模型，并对其进行了网格划分，还设定了其边界条件。建立脉动衰减器的仿真模型后，就要将Gambit软件生成的Mesh文件导入FLUENT中进行仿真计算。在进行仿真计算前，还要根据需要对网格进行修改及平移，设定自己需要的单位等准备工作，另外，还要注意FLUENT软件中默认的长度单位是111111，而Gambit中默认单位是m，这也需要进行调整。4．4．1选择求解器选择求解器类型，即对控制方程离散后形成的离散方程组选择合适的数值计算方法。对控制方程离散后形成的离散方程组的求解主要有耦合式解法和分离式解法两种。耦合式求解法同时求解离散化的控制方程组，联立求解各变量。它可分为所有变量整场联立求解(隐式解法)、部分变量烂场联立求解(显隐式解法)和在局部地区对所有变量联立求解(显式解法)。当计算中流体的密度、动量、能量等物理参数存在相互依赖关系时，应用耦合式求解方法具有很大优势。耦合式求解主要应用包括高速可压流动、有限速率反应模型等。分离式求解法不直接解联立方程组，而是顺序地、逐个地求解各变量代数方程组。根据是否直接求解原始变量，它又包括原始变量法和非原始变量法。 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计非原始变量法有涡量．速度法和涡量．流函数法两种。非原始变量法突出优点是方程中不出现压力项，从而避免由于压力项带来的问题。同时，这也是其缺点之一一当需要压力场时，就需要另外计算；它的另外一缺点是这种方法不易扩展到三维情况。原始变量法包含的解法较多，常用的有解压力泊松方程法、人为压缩法和压力修正法等。其中压力修正法目前在工程上使用最为广泛，尤其是压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE算法)，是现在各种商_qkCFD软件普遍采用的算法。另外，在SIMPLE算法被广泛使用的同时，它也在不断的改善和发展，最著名的有SIMPLER、SIMPLEC和PISO等。这些改进算法都加快了收敛速度，提高了计算效率。FLUENT6．3提供了两种求解器类型：基于压力的求解器和基于密度的求解器，基于压力的求解器对应于分离式求解器，基于密度的求解器则对应于耦合式求解器。由于脉动衰减器流场是不可压，或者说是微可压的，选择基于压力的求解器。另外，由于所研究的是脉动衰减器对液流脉动的衰减效果，属于非稳态的，所以在求解器类型选择时，还要将时间选项选定为非稳态的。4．4．2确定湍流模型确定湍流模型，即选择合适的控制方程，也即选择合适的数学模型。湍流是自然界非常普遍的流动现象，湍流运动的特征是在运动过程中液体质点具有．不断的互相混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动。经过计算可知，脉动衰减器流场的雷诺数Re约为160000，远远大于层流与湍流的界限值8000～12000，脉动衰减器内部流动为湍流。，湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟、大涡模拟法和Reynolds平均法。所谓直接数值模拟就是直接求解下面的三维非稳态N．S方程(式4．1)。10(pFu)+—O(p—uu)+亟铲+亟铲=旦(p塑]+岳(p考]+旦(．“暑)一一at,OxOyOxOyOzOx+瓯a七L。，I‘砂Jk‘龙／。百O(pv)+亟字+亟O铲y+亟皆=去(p鱼Ox)+昙Oy(．u考Oy)+昙(∥謇)一塑03,+鼠H．1)西缸钯叙L。／I‘J瑟L‘瑟／’V一710(pFw)+TO(pwu)+下O(pwv)+To(pww)=昙(p堂Ox)+专Oy(∥考Oy]+丢(卢警)一笔+瓯a叙勿沈叙k。，I’J龙k。如／出。大涡模拟的基本思想是：用式4．1所示的非稳态N．S方程直接模拟湍流中 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计的大尺度涡，而小尺度涡不直接进行模拟，其对大尺度涡的影响则通过近似的模型来考虑。Reynolds平均法的核心是将式4．1所示的非稳态N．S方程对时间作平均，即把湍流运动看成两个流动的叠加，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动。将非稳态N．S方程对时间平均后，时均后的N．S方程中会出现脉动量乘积的时均值等未知量，称为Reynolds应力。根据对Reynolds应力作出的假定和处理方式不同，Reynolds平均法又分为Reynolds应力模型和涡粘模型(湍流黏性系数法)。Reynolds应力模型又包括Reynolds应力方程模型(RSM)和代数应力方程模型(ASM)，后一种将前一种应力方程的微分形式简化为了代数方程形式。在涡粘模型方法中，引入了湍动粘度“，根据确定湍动粘度微分方程的数目，又可将涡粘模型分为三种，即：零方程模型、一方程模型和两方程模型。其中两方程模型在工程中应用最为广泛。最基本的两方程模型是标准七一s模型，即分别引入湍动能七和耗散率s的方程。标准七一s模型的基本输送方程为：掣+掣=毒№旦ak)1堡缸jJI+Gk+Gb--胪一％+＆(4．2)掣+掣=毒№旦a,)1堡Oxjjk妻(q岷咿印譬+疋(4．3)舯s=文飘鼢盯pc。笔。q——由于平均速度梯度引起的湍动能产生项。G6——由于浮力引起的湍动能七的产生项；％——可压缩流动中脉动扩展的贡献；Cl。、C2。和C3。——经验常数；aI和口。分别为与湍动能七和耗散率s对应的PrandtI数。瓯和瓯——用户定义的源项。 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计除了标准的k—s模型外，还有各种改进的k—g模型，比较著名的是RNGk—s模型和Realizablek—s模型。需要注意的是，前面提到的各种湍流模型都是针对湍流发展非常充分的湍流流动情况的，是针对高雷诺数Re的区域。在雷诺数Re较低的区域，就必须采用特殊的处理方法，一是采用壁面函数法，二是采用低雷诺数Re的k一￡模型。FLUENT6．3提供了多种湍流模型，分别应用标准的k一￡模型、RNGk—g模型和Realizablek—s模型进行仿真分析，仿真结果差别较小，但后两种模型所用仿真时间较长。因而，在以下的仿真中，就选择较为常用的标准k—s模型。该．模型是个半经验公式，它是从实验现象中总结出来的，所以适用范围较广，经、济且精度也不错，能够满足使用要求。4．4．3确定流体材料及运行环境本文所研究的脉动衰减器主要是针对水刺头供水管道的，所以流体的材料就为液态水。FLUENT提供了多种材料供选择，可以直接选取，也可以根据需要进行修改或者自己定制。直接选取材料库中的液体水。运行环境主要指的是需不需要考虑重力场的问题。根据实际情况，设置x、Y方向的重力加速度为0，z方向的重力加速度为．9．8m／s2。4．4．4定义边界条件和流场区域在前一节建立脉动衰减器的流场仿真模型过程中，就已经定义了流场的边界条件及流场区域，此步骤主要目的是给定义过的边界条件和流场区域赋予特定对象或赋值。根据实际情况，做如下设置：①通过用户自定义函数(UDF)编译进口压力边界条什所需要的按正弦规律变化的非稳态压力unsteady，并将入口处的进压力边界条件的值设定为此非稳态压力。．pressure1：3②将出口处的压力出口边界条件的值选择常数，并将值设定为11(此处的11指的是1lMPa，FLUENT软件中默认的压力单位是尸口，单位要自己设定)。③将流场仿真区域中的材料设定为前面从材料库中选定的液态水。4．4．5设置求解控制参数 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计在进行迭代计算时，常会出现求解不收敛或者收敛速度很慢的情况，这就需要通过修改求解控制参数来改善求解过程。在设置求解控制参数中主要设置求解的控制方程、选择压力速度耦合方法、松弛因子和离散格式。选择不同的计算模型，就会在此显示不同的控制方程。这些控制方程可以同时求解，也可以先求解简单的控制方程，等简单的控制方程收敛后，再求解复杂的控制方程。在前面选择求解器类型时，提到了基于压力的求解器常用的数值计算方法是压力修正法，尤其是压力速度耦合方法。FLUENT提供了压力速度耦合的四种方法，即SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled。其中SIMPLE方法是默认的方法，最为常用，选择SIMPLE方法。松弛因子是基于压力求解器所使用的加速收敛参数，用于控制每个迭代步骤内所计算的场变量的更新。在FLUENT中，默认的松弛因子是对大多数问题的最优值。本文也选择默认的松弛因子。离散格式是控制方程离散过程中的一个名词。控制方程的离散化即包括稳态问题空间域上的离散，又包括瞬态问题时间域上的离散。离散化的目的主要是为了将数学模型的微分方程通过数值的方法把计算域内有限数量位置上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。常用的离散方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。其中有限体积法计算效率较高，得到了广泛应用。其基本思路是：将控制方程对每一个划分形成的控制体积进行积分，从而得到一组离散方程。在使用有限体积法建立离散方程时，很重要的一步是将控制体积界面上的物理量及其导数通过节点物理量插值求出。插值方式不同，建立的离散方程也不同。插值方式又叫离敞格式。常用的离散格式有：中心差分格式、一阶迎风格式、混合格式、指数格式、乘方格式、二阶迎风格式和QUICK格式等。其中，前五种属于低阶离散格式，后两种属于高阶离散格式。低阶离散格式相对高级来说计算效率高，但精度差。以上介绍的是空间域上的离散格式，在时间域上离散格式则包括三种，即：显式方案、Crank-Nicolson方案和全隐式方案等。其中全隐式方案适用性最强，使用最为广泛。在对脉动衰减器流场进行仿真过程中，由于要求的精度不高，选择普通的 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计低阶离散格式就可以满足需要，选择一阶迎风格式。在时间域上则选择了全隐式方案。4．4．6流场初始化并进行迭代计算在迭代计算前要初始化流场，初始化流场的目的是为了给迭代过程一个初值，使迭代过程能够更快的收敛。流场初始化以后，就可以进行迭代计算了。所需要注意的是：对于非稳态的仿真过程，在时间域上进行离散有个时间间隔，这个时间间隔会在用户自定义函数中用到。取时间间隔为0．0001秒，在用户自定义函数中用到的频率以此时间间隔为基础。4．5脉动衰减器仿真结果分析经过迭代计算，当进出口压力达到稳定后，进出口压力曲线如图4．5所示。时■(●)图4．5衰减器进出口压力曲线(脉动频率为IooHZ)l。进口压力曲线2．出口压力曲线由图4．5进出口压力曲线可知，当脉动频率为100HZ时，进出口压力达到稳定后，进口压力最大为11．9773MPa，最小为IOMPa，脉动率为17．99％；出口压力最大为11．1648MPa，最小为10．8375MPa，脉动率为2．97％。经过计算可知，压力脉动经过衰减器后衰减T83．45％。压力脉动得到了大幅度的衰减，经过衰减后的压力脉动能够满足实际生产需要。 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计4．6脉动衰减器的优化设计前一节的仿真结果表明压力脉动经过衰减器以后，得到了很大程度上的衰减，但需要指出的是衰减效果与很多因素有关，如脉动频率及脉动衰减器内部挡板长度，、角度p和距离x等(如图4．6所示)。本节主要针对这些因素对脉动衰减器进行优化设计，以便为脉动衰减器的实际生产提供参考依据。图4．6脉动衰减器结构简图4．6．1衰减效果与脉动频率的关系根据实际工况，在10HZ与200HZ之间每隔10HZ取一个数据点(脉动频率的变化通过用户自定义函数来调整)，分别进行仿真计算，得到其进出口压力曲线，待曲线稳定后，读出进出口压力曲线的最大及最小值，并计算其衰减比。仿真数据如表4．1所示(单位：MPa)。表4．1衰减效果与脉动频率关系仿真数据表 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计根据表4．1的仿真数据，将脉动频率与衰减效果绘制成曲线图，如图4．7所示。图4．7脉动衰减器衰减效果与脉动频率关系图由图4．7可知，当脉动频率较低时，衰减效果较差，当达到30HZ时，衰减比达到了80％以上。由此可见，在实际工况下(频率在10．200HZ之间)，该型压力脉动衰减器对较高频率的压力脉动有较好的衰减作用，且频带较宽。4．6．2衰减效果与挡板长度的关系根据所用衰减器的实际尺寸(挡板长度为300mm)，在0到320mm之间每29 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计隔20mm取一个数据点(挡板长度为图4．6中的，)，分别进行仿真计算，得到其进出口压力曲线，待曲线稳定后，读出进出口压力曲线的最大及最小值，并计算其衰减比。仿真数据如表4．2所示(单位：MPa)：表4．2衰减效果与挡板长度关系仿真数据表根据表4．2的仿真数据，将挡板长度与衰减效果绘制成曲线图，如图4．8所示。．图4．8脉动衰减器衰减效果与挡板长度关系图 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计由图4．8可知，挡板越长，衰减效果越好，但由图4．6可以看出，挡板增长后，挡板与容腔之间的开口面积就会减小，这样会导致液体流过脉动衰减器后压力损失增大。因此，在选择挡板长度时，需要对两者综合考虑。4．6．3衰减效果与挡板角度的关系根据所用衰减器的实际尺寸(挡板角度为．45度)，在98度到．58度之间每隔5度取一个数据点(挡板角度为图4．6中的0)，分别进行仿真计算，得到其进出口压力曲线，待曲线稳定后，读出进出口压力曲线的最大及最小值，并计算其衰减比。仿真数据如表4．3所示(单位：MPa)。表4．3衰减效果与挡板角度关系仿真数据表3I 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计根据表4．3的仿真数据，将挡板角度与衰减效果绘制成曲线图，如图4．8所示。图4．8脉动衰减器衰减效果与挡板角度关系图由图4．8可知，当两挡板连线与进出口连线之间角度为．58度时，衰减效果最好。图4．9为挡板连线与进出口连线间角度为．58度时衰减器的几何模型。图4．9挡板连线与进出口连线间角度为．58度时衰减器的几何模型32 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计4．6．4衰减效果与挡板距离的关系根据所用衰减器的实际尺寸(挡板到球心的距离为60mm)，在lOmmN90mm之间每隔lOmm取一个数据点(挡板距离为图4．6中的x)，分别进行仿真计算，得到其进出口压力曲线，待曲线稳定后，读出进出口压力曲线的最大及最小值，并计算其衰减比。仿真数据如下表所示(单位：MPa)。表4．4衰减效果与挡板距离关系仿真数据表根据表4．4的仿真数据，将挡板到球心的距离与衰减效果绘制成曲线图，如图4．10所示。图4．10脉动衰减器衰减效果与挡板间距关系图由图4．10可知，挡板之间距离变大或者变小时，衰减效果都会变好，即挡板越靠近进出口或者越相互靠近时，衰减效果越好。但是挡板距离如此变化，流 4脉动衰减器流场仿真分析及优化设计体流过脉动衰减器后，压力损失就会增大，需要对两者综合考虑。需要指出的是，如果改变挡板间距，而挡板长度又保持不变的话，挡板与球腔之间的开口面积就会发生变化。这样仿真效果就会受到开口面积的影响，为了消除这种影响，应保证开口面积不变。表4．4中的仿真数据是在保证开口面积不变的情况下仿真得到的(通过改变挡板的长度来保证开口面积不变)。在保证开口面积不发生变化的情况下，改变挡板的距离，相对应的挡板长度数据如表4．5所示。表4．5挡板距离与长度对照表(开口面积固定)挡板到球心距离(mm)挡板K度(nun)4．7本章小结本章首先介绍了计算流体力学(CFD)的基础知识，并在此基础上，应用CFD方法，通过专业的CFD仿真软件FLUENT对脉动衰减器进行了流场分析。仿真结果表明，该型脉动衰减器能够对高压泵出门的压力脉动进行大幅度的衰减，可以满足实际需要。接着又针对影响脉动衰减器衰减效果的四个因素进行了优化设计，以便为衰减器的实际生产提供参考依据。34舰m麟哪洲∞螂姗毗一～～一～姗一一～m∞如柏卯∞∞∞∞ 5隔振器流场仿真分析及优化设计第3章探讨了水刺头供水管道高压泵进出口液流脉动的机理，并分别提出了对高压泵进出口液流脉动进行衰减和隔离的措施。第4章又应用CFD方法，通过专业的CFD仿真软件FLUENT对脉动衰减器的流场进行了仿真分析及优化设计。本章将在前一章的基础上，应用同样的方法对隔振器进行流场仿真分析及优化设计。5．1隔振器的工作原理本文所提到的隔振指的是将由高压泵液流脉动引起的高压泵进口的振动与主供水管道进行隔离，所用到的器件称为隔振器。如图5．1所示。42图5．1隔振器安装示意图1．主供水管道2．电动机3．联轴器4．高压泵5．隔振器6-软连接图5．1中，在安装隔振器之前，高压泵进【_】直接与主供水管道相连，这样，由于高压泵的间隙吸入导致的液压冲击就会传递到主供水管道，导致主供水管道振动，甚至断裂等，直接影响到生产的顺利进行。这是本课题要解决的关键问题之一，即：如何将高压泵进口与主供水管道进行隔离，以防止高压泵进口 5隔振器流场仿真分析及优化设计由于间隙吸入导致的液流脉动传递到主供水管道。在加装隔振器之后，高压泵进口产出的液流脉动经过隔振器的隔离作用将不会对主供水管道产生较大影响。且由于隔振器与主供水管道采用软连接的方式，隔振器本身的振动也不会对主供水管道产生较大影响。这样就可以使振动得到隔离，主供水管道不会出现振动、断裂等问题，也就不会影响正常作业。图5．2为隔振器的结构原理图，图5．3为隔振器流场速度流线图。由两图可知，隔振器之所以能够使高压泵进口(即隔振器出口)的液压冲击传递到隔振器进口得到消减，主要是由于其内部容腔和挡板的共同作用。在容腔和挡板的共同作用下，隔振器内部流场会形成各种尺寸的涡流，这些涡流相互碰撞，相互作用，尺寸会进一步减小，流体运动的不均匀会逐渐得到平衡，这样就会使液压冲击得到消减。图5．2隔振器结构原理图(a)与图5．2相对应方位(b)Y=O平面上图5．3隔振器流场速度流线图36 5隔振器流场仿真分析及优化设计5．2隔振器的流场仿真模型上一节介绍了隔振器的结构原理，以下三节将应用FLUENT软件对隔振器流场进行仿真分析，本节将首先建立隔振器的流场仿真模型。5．2．1建立几何模型根据前面介绍知道，FLUENT软件本身不能建立流场的几何模型，需要用其前处理软件Gambit或者专业的建模软件来进行建模。仍然应用专业的建模软件Pro／E来建立隔振器流场的几何模型，所建的流场仿真几何模型如图5．4所示。图5．4隔振器流场几何模型5．2．2划分网格应用Pro／E建立隔振器流场的几何模型后，将其导入Gambit中划分网格。为了使划分成功率更高，仍采用混合网格方案，划分网格后的模型如图5．5所示。图5．5隔振器流场网格模型37 5隔振器流场仿真分析及优化设计5．2．3设定边界条件和流场区域在设定边界条件方面，仍然在Gambit软件中对流场的边界条件进行设定。边界条件设定如下：入口处l设定为出口压力边界条件，压力设为定值2MPa。出口处：设为速度入口边界条件，其速度通过用户自定义函数(UDF)设置，速度按正弦曲线规律变化，幅值为一l±lm／s，即出口处水的速度向外。(该函数程序清单见附录二，此处参照4．3．3d,节衰减器进口压力曲线的设定，设定隔振器出口速度按正弦曲线规律变化)壁面：模型中的其它面设为壁面，壁面主要用于限定流场区域。监控面l在离出l：180mm处设置压力监控面以监控出口压力【3l】。在设置流场区域时，选择整个仿真模型，设置类型为FLUID。5．3隔振器的流场仿真计算上一节建立了隔振器的流场仿真模型，本节将对建好的隔振器流场仿真模型进行仿真计算。5．3．1选择求解器根据前面介绍及考虑所研究隔振器流场情况，即隔振器流场是不可压，或者说是微可压的，选择基于压力的求解器，并选择非稳态计算。5．3．2确定湍流模型根据前面的介绍及所研究隔振器流场的特点，仍然选择较为常用的标准k一￡模型。5．3．3确定流体材料及运行环境根据前面介绍，本文所研究的隔振器主要是用来隔离水刺头供水管道的高压泵进口与主供水管道的，所以流体的材料仍就为液态水。仍然直接选取材料库中的液体水。运行环境方面，仍然根据实际情况，设置X、Y方向的重力加速度为0，z方向的重力加速度为．9．8m／s2。38 5隔振器流场仿真分析及优化设计5．3．4设定边界条件和流场区域在前一节建立隔振器的流场仿真模型过程中，就已经定义了隔振器流场的边界条件及流场区域，此步骤主要目的是给定义过的边界条件和流场区域赋予特定对象或赋值。根据实际情况，做如下设置：①通过用户自定义函数(UDF)编译进口速度边界条件所需要的按正弦规律变化的非稳态速度unsteadyvelocity，并将隔振器出口处的进口速度边界条件的值设定为此非稳态速度。②将隔振器入口处的压力出口边界条件的值设为常数，并将值设定为2MPa(单位要重新设定)。③将流场仿真区域中的材料设定为前面从材料库中选定的液态水。5．3．5设置求解控制参数对隔振器流场进行的仿真要求精度不高，选择普通的低阶离散格式就可以满足需要，选定为一阶迎风格式。在时间域上则选全隐式方案。5．3．6流场初始化并进行迭代计算在上面所有参数设置好以后，接下来要对流场进行初始化，并进行迭代计算。所需要注意的是：由于为非稳态仿真，在时间域上需要设置离散时间间隔。考虑到仿真精度，设置离散时间间隔为0．0001秒。5．4隔振器仿真结果分析经过迭代计算，当进出口压力达到稳定后，进出口压力曲线如图5．6所示。39 5隔振器流场仿真分析及优化设计图5．6隔振器进出口压力曲线(脉动频率是100HZ)1．出口压力曲线2．进口压力曲线由图5．6可知，当脉动频率为100HZ时，进出口压力达到稳定后，出口压力最大为2．2114MPa，最小为1．7841MPa，脉动率为21．39％；进口压力最大为2．0407MPa，最小为1．9588MPa，脉动率为4．1％。经过计算可知，隔振器出口的压力脉动经过隔振器传递到进口时压力脉动衰减为原来的80．82％。因此由于高压泵间隙吸入造成的液流脉动不会对主供水管道产生较大影响。5．5隔振器的优化设计前一节的仿真结果表明由高压泵间隙吸入导致的液流脉动经过隔振器以后，得到了很大程度上的消减，不会对主供水管道产生较大影响。但需要指出的是隔振效果可能与很多因素有关，如脉动频率及隔振器进口位置，、隔振器内部圆弧挡板的角度p等(如图5．7中所示)。本节主要针对这些因素对隔振器进行优化设计，以便为隔振器的实际生产提供参考。图5．7隔振器结构简图40 5隔振器流场仿真分析及优化设计5．5．1隔振效果与脉动频率的关系根据实际工况，在20HZ与200HZ之间每隔10HZ取一个数据点(脉动频率的变化通过用户自定义函数UDF来调整)，分别进行仿真计算，得到隔振器进出口压力曲线，待曲线稳定后，读出进出口压力曲线的最大及最小值，并计算其衰减比。仿真数据如表5．1所示(单位：MPa)。表5．1隔振效果与脉动频率关系仿真数据表端雾器品：出口波动品嵩譬进口波动专襞乒202．04l41．95590．04272．00781．99090．008580．16302．06151．93670．06242．01191．98720．012380．25402．08051．917l0．08172．0156l-98330．016280．2l502．103l1．89390．10462．02001．97890．020580．37602．12291．87430．12432．02421．97540．024480．36702．14791．852l0．14792．02861．97100．028880．52802．16851．83150．16852．03301．96680．033l80．34902．18801．80930．18942．03641．96250．037080．481002．21021．78930．21052．04071．95880．041080．54llO2．22981．76930．23022．04481．95480．045080．451202．25001．74720．25142．04891．95020．049380．381302．27361．72780．27292．053l1．94670．053280．5l1402．293l1．70830．29242．05721．94310．057l80．481502．31351．68650．31352．0607l-93890．060980．561602．33391．66610．33392．06481．93480．065080．531702．35361．64620．35372．06891．93070．069180．471802．37321．62500．374l2．07301．92670．073l80．451902．39421．607l0．39352．07741．92330．077080．422002．41591．58750．41422．08091．91950．080780．52不。根据表5．1中的仿真数据，将脉动频率与隔振效果绘制成曲线图，如图5．8所41 5隔振器流场仿真分析及优化设计图5．8隔振器隔振效果与脉动频率关系图由图5．8可知，液压泵间隙吸入频率在20HZ到200HZ之间变化时，隔振器对液压泵进口的压力脉动能够衰减80．40％左右，使液压泵间隙吸入导致的液压脉。动对主供水管道的影响消减为原来的五分之一左右，完全可以满足实际生产的需要。另外，还可以看出，在这个相当大的脉宽范围内，隔振器对高压泵进口压力脉动的衰减效果都在80％以上，脉动频率对衰减效果影响不明显。这样高压泵的转速可以根据实际生产需要来调整，不用考虑隔振器隔振效果的影响。5．5．2衰减效果与进口位置的关系在图5．7中，，反应了隔振器进口的位置。针对，，在70至t．1430mm之间每隔20mm取一个数据点，分别进行仿真计算，得到其进出口压力曲线，待曲线稳定后，读出进出口压力曲线的最大及最小值，并计算其衰减比。仿真数据如表5．2所示(单位：MPa)。表5．2隔振效果与隔振器进口位置关系仿真数据表42 5隔振器流场仿真分析及优化设计不。根据表5．2的仿真数据，将进I=l位置，与隔振效果绘制成曲线图，如图5．9所图5．9隔振器隔振效果与进口位置关系图由图5．9可知，进口位置靠近隔振器两端，隔振效果会略有提高，但效果并不明显。这就表明，在实际制造隔振器时，应尽量使得其进口位于隔振器两端；但把进口放在隔振器中间，更符合人们的审美习惯，这对实际使用并不会产生较大影响。隔振器进口的位置可以根据实际安装的空间位置来确定。43 5隔振器流场仿真分析及优化设计5．5．3衰减效果与挡板圆弧角度的关系在图5．7中，0反应了隔振器挡板的圆弧角度。针对0，在90。到．225。之间每隔15。取一个数据点，分别进行仿真计算，得到其进出口压力曲线，待曲线稳定后，读出进出口压力曲线的最大及最小值，并计算其衰减比。仿真数据如表5．3所示(单位·0MPa)。表5．3隔振效果与挡板圆弧角度关系仿真数据表根据表5．3仿真数据，将挡板圆弧角度与隔振效果绘制成曲线图，如图5．10所示。 5隔振器流场仿真分析及优化设计图5．10隔振器隔振效果与挡板圆弧角度关系图由图5．10可知，隔振器的隔振效果随着挡板圆弧角度的减小而逐渐增大，且效果较为显著。但应该考虑的是，随着隔振器挡板圆弧角度的减小，隔振器挡板与容腔之间的开口面积就会逐渐减小，这样会增大压力损失，即隔振器隔振效果的增加是以增大压力损失为代价的。这就需要综合考虑，在满足隔振效果的前提下，尽量减小压力损失。5．6本章小结本章应用CFD方法，通过专业的CFD仿真软件FLUENT对隔振器进行了流场分析，仿真结果表明，隔振器能够对高压泵进口的压力脉动进行大幅度的衰减，这样高压泵进口由于间隙吸入导致的液流脉动就不会对主供水管道产生较大影响，可砂起到隔离作用，能够满足实际需要。另外，本章还针对可能影响隔振器隔振效果的三个因素进行了优化设计，以便为隔振器的实际生产提供参考依据。45 6消振和隔振装置的实验研究在对水刺头供水管道高压泵进出口的液流脉动进行仿真研究的同时，也必须对其进行实验研究。这是因为：①实验是验证仿真模型合理与否的有效，而直接的途径。只有经过实验验证的仿真模型才是有意义的，才是对实际生产有参考价值的。②研究消振和隔振装置的最终目的是为了将其应用于实际生产当中，实验是详细了解其实际使用性能的有效途径。③通过实验可以为改进隔振和消振装置提供最直接的依据。6．1实验目的设计本实验主要有三个目的：①验证计算流体力学仿真模型的合理性。计算流体力学仿真模型的合理是应用计算流体力学方法对消振和隔振装置进行研究和优化设计的基础，同时它也是能够应用该方法解决同类问题的一个最有力的证据。②验证消振和隔振装置的实际使用性能。③为改进隔振和消振装置提供依据。所研究的消振和隔振装置的实际使用性能会受到较多因素的影响，为了使其实际使用性能发挥到更佳，需要对其进行改进，希望通过实验能够为其改进提供充足的依据。6．2实验系统的设计6．2．1实验系统原理简介为了达到预期的实验目的，设计实验系统应满足以下要求：①实验系统的测试装置应具有足够的精度，以保证测量数据的准确性。②所设计的实验系统应能够准确反应消振和隔振装置的实际使用性能。③实验系统应满足安全、经济等要求。基于以上目的和要求，设计出的实验原理图如图6．1所示。 6消振和隔振装置的实验研究图6．1实验方案原理图如图6．1所示，高压泵由电动机提供动力，它的进口通过隔振器与水箱相连，出口先经过衰减器，然后经节流阀流回水箱，节流阀主要用来模拟加装装置，溢流阀起安全保护作用。在衰减器和隔振器进出口分别装有四个压力传感器用来检测它们进出口的压力变化，四个传感器输出的电压信号由放大器放大后，经数据采集卡传递到计算机，由计算机进行数据记录、处理等工作。6．2．2实验系统主要元件简介根据实验方案原理图，将实验系统分为机械一液压系统和计算机测试系统两部分。下面介绍一下实验过程中可以采用的关键元器件。6．2．2．1机械一液压系统高压泵：水刺头供水管道液流脉动是由高压泵造成的，高压泵的种类会影响到实验效果，因此，选择与实际生产过程中同类同型号的高压泵，即：由德国WOMA公司生产的型号为1503的高压泵。该泵最高转速1500rpm，最大输出压321／min。产过程中用到的是变频调速电机，由于变频器加变频电47 6消振和隔振装置的实验研究机价格太高，因而选用普通的三相异步电动机加出口节流调速系统(图6．2所示)来代替。三相异步电动机功率选为10Kw。溢流阀：在本系统中，溢流阀用于防止系统过载，起安全阀作用。溢流阀选用通径为32mm，调定压力范围为3．5～14MPa的先导式溢流阀。节流阀：节流阀用于对系统加载，可以选择公称通径为32mm的节流阀。衰减器：实验系统中的衰减器为自制件。自制的衰减器其结构参数与仿真参数相同。另外，为了验证内部结构对衰减效果的影响，可以针对某个参数选择有代表性的数据进行自制。隔振器：实验系统中的隔振器也为自制件。自制的隔振器其结构参数也要与仿真参数相同。同样，为了验证内部结构对隔振器隔振效果的影响，也可以针对某个参数选择有代表性的数据进行自制。水箱：为了防止水箱里面的水对管道产生影响，应尽量增大水箱的容积，可以取水箱的容积为泵最大流量的十倍，取三立方米大小左右。6．2．2．2计算机测试系统压力传感器：压力传感器是将管道内部流体压力转换为电压或电流信号的装置。在选择传感器时，可以选择量程为0～15MPa，基本误差小于满量程的0．2％，输出电压为0-5VDC的压力传感器。如西安新敏电子科技有限公司生产的CYBl3I型压力传感器。放大器：放大器是将压力传感器输出的电压或电流信号放大的装置。如果所选用的压力传感器输出电压或电流信号较低，则需要将信号放大后，才可以与数据采集卡相连，但如果压力传感器输出的信号足够大，能够直接与数据采集卡相连，则不需要用到放大器。数据采集卡：数据采集卡是将传感器或放大器传过来的电压模拟信号转换为计算机能够识别的数据信号的装置。数据采集卡要有高速度高精度的特点。选择数据采集卡要考虑采样通道数目，触发方式，输入电压等因素。可以采用研华科技有限公司生产的研华PCI．171l型PCI总线数据采集卡。测试程序：实验中用到的测试程序可以由数据采集卡的厂家提供，也可以自己编制。无论测试程序来源如何，它都要有以下几个基本功能：①数据采集。这中间除了要采集数据，还要可以设置采样频率、采样时间和基址等。②数据显示。要将所采集到的数据用图像的形式显示出来。⑨数据存储。将采集到的 6消振和隔振装置的实验研究数据保存到指定的数据文件，以便分析调用。6．3实验步骤为了达到实验目的，需要按照以下实验步骤进行实验：①验证各个压力传感器在计算机测试系统中输出的准确性(可以通过互换传感器来完成)。此步骤是检验实验系统的基础。②对实验曲线进行分析，以检验实验系统是否合理，能否满足实验要求，达到实验目的。③将实验结果与仿真结果进行对比分析，检验仿真模型的合理性以及消振和隔振装置的实际使用性能。④验证脉动频率与消振和隔振装置使用性能的关系。将图6．2中所示出口节流调速系统取代实验原理图(图6．1)中的电动机，通过调节调速阀3流量的方式改变液压马达2的转速，进而改变与之相连的高压泵的转速，从而达到改变脉动频率的效果。以此方式检验脉动频率对消振和隔振装置使用性能的影响，并将实验结果与仿真结果进行对比分析。图6．2出口节流调速系统图1．液压泵2．液压马达3．调速阀4．流量计5．溢流阀⑤验证装置内部结构与装置使用性能的关系。通过改变消振和隔振装置内部的结构参数，检验这些参数对装置实际使用性能的影响，并将实验结果与仿真结果进行对比分析(由于仿真过程中的参数变化范围较大，数据选择的较多，49 6消振和隔振装置的实验研究而在实验过程中，不可能也无需做这么多的样件进行实验，可以选择有代表性的样件进行实验)。6．4实际工程应用根据实验目的设计好相关的实验装置后，需要搭建实验平台，但由于资金和时间的原因，未能完成试验平台的搭建。但是所研究的高压泵出口的压力脉动衰减器已经应用到实际生产中，取代了原有的蓄能器，如图6．3所示。根据生产现场检测的高压泵出口的实际压力可知，经过压力脉动衰减器后，其脉动率已经降到3％以内，与仿真结果2．97％较为接近，完全可以满足实际生产需要。图6．3脉动衰减器实际应用图6．5本章小结本章根据实验目的设计了相关的实验平台和计算机测试系统，选择了试验中所需的主要元件，并介绍了主要实验步骤。但由于时间与经费不足，未能完成实验平台和计算机测试系统的搭建，未能对消振和隔振装置的流场仿真模型进行验证，实为憾事。 7结论与展望7．1结论本文针对水刺头供水管道系统中，高压泵进出口液流脉动带来的管道振动，甚至破裂等问题，利用理论分析和数值仿真的方法，研究了高压泵进出口液流脉动的机理，提出了衰减出口液流脉动以及将高压泵进口与主供水管道隔离的措施(即在高压泵出口加压力脉动衰减器对液流脉动进行衰减，在进口加隔振器将高压泵与进水管道进行隔离)；并应用CFD方法，通过专业的CFD软件FLUENT分别对衰减器和隔振器进行了仿真分析；然后，针对影响它们工作效率的某些主要参数进行了优化设计；最后，提出了实验验证的方案，并将衰减器应用到了实际生产中。总结整个仿真研究，可以得到如下结论：1、在水刺头供水管道系统中，高压泵的间隙加压导致了高压泵出口的液流脉动；高压泵的间隙吸入导致了高压泵进口的液流脉动。2、经仿真研究和实际生产应用证明，在高压泵出口加装球形压力脉动衰减器能够有效的衰减其压力脉动。且衰减效果与脉动频率以及衰减器内部挡板长度、角度和间距等因素相关。3、在高压泵进口加装隔振器能够有效的将高压泵进水管道的液流脉动与主供水管道进行隔离。且隔振效果与脉动频率以及隔振器进口位置关系不大，但却要受到挡板圆弧角度的影响，即：挡板圆弧角度越小，隔振效果越好。7．2展望为了更好的解决水刺头供水管网高压泵进出口液流脉动问题，今后可以在以下几个方面进一步展开研究：l、可以采用第六章提到的实验原理对本文的仿真结果进行验证，以便为进一步采用CFD方法对类似元器件进行仿真计算提供参考依据。2、本文所研究的是水刺头供水管网系统中单个高压泵进出口的液流脉动及其消减措施，对于并联的高压泵之间是否相互影响以及有何影响，本文没有涉及，对于此方面的研究也需要更进一步。5l 参考文献【1】曹邦威．无纺布简介及对该术语译法和命名的商榷【J】．纸和造纸，2003．3：64-65【2】康文华．无纺布在现代生活中的应用【J】．新知·动向，2008．4：72．74【3】马咏梅．水刺非织造布的发展现状【J】．产业用纺织品，2001．7：1【4】KinOhmura,周杨(编译)，陈海昌(审校)．中国的水刺法非织造布【J】．生活用纸，2007．5：44【5】InternationalFiberJournal[M]，2007．6【6】杨世绵，田振华，韩立强．蓄能器吸收泵压力脉动效果的分析研究【J】．吉林工学院学报，1987．2【7】徐兵．采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究【D】．浙江大学博士学位论文，2001．2【8】窦雨淋．船用管路流体脉动衰减器的研究[D】．华中科技大学硕士学位论文，2008．5【9】9孔祥东，权凌霄．蓄能器的研究历史、现状和展望【J】．机床与液压，2004．10【10】JohnGRussell．PressureVesselsSuchAsPressureAccumulators【P】．British，USl379599，1965【ll】一柳健．高周波脉动吸收用7每一厶L，一夕开发[C]．日本机械学会论文集(2)，昭47．2【12】KenIchiryu．Vibrationdampingmethodofoilhydraulicsystembyaccumulator阴．BulletionoftheJS№v．12，No．53，1969【13】KenIchiryu．Developmentsofaccumulatorforhighfrequencyrippleabsorption阴．BulletionoftheJSMEv．15，No．88，1972【14】RobertE，Meyers．AccumulatorwithTemperatureCompensation【P】．US，US3893486，1975【22]【23]WatersPE．Commercialroadvehiclenoise【J】．JournalofSoundandVibration,1974，35(2)TrikhaAK．AnE伍cientMethodforSimulatingFrequency．DependentFrictionTransientLiquidFlow【J】．JournalofFluidsEngineering,Trans．ASME，1975，97(1)．KaramJT’LeonardRG．ASimpleYetTheoreticallyBasedModelforSimulatingFluid7transmissionLineSystems【J】．JournalofFluidsEngineering,Tram．ASME，1973，95(4)ViersmaTJ．Analysis，SymthesisandDesignofHydraulicServo-systemsandPipelines【M】．ElsevierScientificPublishingCompany,Amsterdam，l980井定美．降低液压系统噪声【J】．油压技术，V01．13，No．6，1977山口知史．扩展液压压力脉动的吸收与衰减特性的研究[J]．油压技术，V01．24，No．6，1976EKojima，N．MatsubaraandSSudo．Generationandpropagationoffluid．bornepressurerippleinfluidpowersystemscausedbyapump【J】．TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineering九B，n61，1995苏尔皇．使用蓄能器消减液压系统中脉动的正确方法[J】．工程机械，1981．8曾祥荣等．H型液压滤波器在系统安装位置的研究【J】．机床与液压，No．5，198852靶q刀即观伽=．nUU口口 参考文献【24】赵克定，李尚义等．并联和串联囊式蓄能器的理论分析和数字仿真rj]．哈尔滨工业大学学报。1991．4【25】曹刚，史维祥．液压滤波器【J】．机床与液压，No．5，1985【26】史维祥，曹刚．流体滤波消声器【J】．机床与液压，No．5，1986【27】邢科礼，葛思华．新型串联囊式蓄能器的理论分析及其安装位置的研究叨．工程机械，1997．8【28】李培滋等．三合一滤波器【J】．液压与气动，No．2，1992【29】李运华等．一种主动液压滤波器的分析们．北京航空航天大学学报，No．2，1999【30】张燕等．穿孔结构流体滤波器参数优化设计研究【J】．振动与冲击，No．1，2000【3l】单长吉．压力脉动衰减器的数学模型仿真及CFD流体解析【D】．西南交通大学硕士学位论文，2004．5【32】姚新，余靖华．球腔式压力脉动衰减器的设计分析阴．九江职业技术学院学报，2003．3【33】李昌琪，林从滋，齐旭，王科社．球形容腔式压力脉动消除器的研究【J】．液压与气动，1988．4【34】焦秀稳，曹玉平，张承谱，李爱社．球形液压滤波器滤波机理分析与仿真CJ]．天津大学学报。1996．1[35】王科社，刘苍山，李昌琪．球形液压脉动稳定器强度计算与分析[J】．石油机械，1993．3【36】刘苍山，王科社，李昌琪．液压脉动衰减器的动态品质【J】．农业机械学报，1993．6【37】刁安娜，王字，冯健美等．天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动分析[J]．流体机械，2008．5：39,--42【38】党洪锡，黄幼玲．工程中的管道振动问题【J】．力学与实践，1993．4：9~16【391王福军．计算液体动力学分析—cFD软件原理与应用【M】．北京：清华大学出版社，2004[40】中国纺织工业协会．水刺法非织造布【M】．北京：中国标准出版社，2002．7【4l】章宏甲，黄谊，王积伟．液压与气压传动【M】．北京：机械工业出版社，2005【42】韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用【M】．北京：北京理工学出版社，2004【43】任玉新，陈海昕．计算液体力学基础[M】．北京：清华大学出版社，2006【44】李进良，李承曦，胡仁喜．精通FLUENT6．3流场分析IM]．北京：化学工业出版社，200953 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果个人简历张智慧：1983年2月出生，河南安阳人，2003年9月至2007年7月，在郑州大学机械工程学院学习，获得工学学士学位；2007年9月至今，在郑州大学机械工程学院攻读硕士学位。学术论文与研究成果1．李延民，张智慧，张永．液控金属针布包卷机的仿真设计及特性分析．纺织器材(中国科技核心期刊)，2008年第35卷，第4期．2．张永，李延民，张智慧．新型装载机液压调节阀的特性分析研究．煤矿机械，2010．2．3．李延民，张智慧，张永．基于FLUENT的某型压力脉动衰减器的流场分析及优化设计．机床与液压(中文核心期刊)收录，定于2010年第6期发表．参与项目1．水刺头供水管网液流波动与管道振动特性研究，河南省教育厅自然科学研究计划项目。项目编号：201085400042．水刺法循环水系统节能环保新产品开发，科技人员服务企业行动项目。项目编号：SQ2009GJD0005457 附录附录一：衰减器进口生成压力按正弦曲线规律变化的程序清单。撑include”ud￡h”DEFINE_PROFILE(unsteady_pressure，thread，position){facet￡begin_f_loop(f,thread){realt=RP_Oet_Real(”flow-time”)；FPROFILE(f,thread，position)=1000000幸(1l+sin(628．3·t))；)endfloop(f,thread)’附录二：隔振减器出口生成速度按正弦曲线规律变化的程序清单。捍include”ud￡h”DEFINE_PROFILE(unsteadyvelocity,thread，position){facet￡begin_f_loop(f,thread){realt=RP_Get_Real(”flow-time”)；F_PROFILE(f,thread，position)=-l+sin(628．3·t)；)end』oop(f,thread)}55'