气动系统二维非定常流场计算.pdf

2 01 0年 8月 第 3 8卷 第 l 5 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 5 ． 0 2 7 气动系统二维非定常流场计算 朱冬 ，杨 庆俊 ，包钢 哈 尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 8 0 摘要以固定容积容器并带有一定长度管路和两个固定节流口的气动系统为研究对象，运用 S I MP L E算法对其非定常 二维流场进行数值计算。根据模型结构和尺寸特点，对其进行分区域网格化。计算结果与有限差分法的计算结果具有较好 的一致性，验证该方法的正确性。该方法不仅可以计算出管路内流场情况，而且可以计算出管路出口处的射流区流场，为 详细研究管路的节流特性及流场参数分布提供参考。 关键词 气动 系统 ；非定 常流场 ；节流 口 中图分类号T H 1 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 5 0 8 6 3 Ca l c u l a t i o n o f TWO． d i me n s i o n a l Uns t e a d y Fl o w Fi e l d o f Pne u ma t i c Sy s t e m Z H U D o n g ，Y A N G Q i n g j u n ，B A O G a n g S c h o o l o f M e c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ，H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，H a r b i n H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 8 0 ，C h i n a Ab s t r ac t Ba s e d 0 n t h e p r a c t i c a l c o nd i t i o n s，t h e p ne u ma t i c s y s t e m wa s t r a n s f o r me d t o b e a c o nt a i ne r wi t h fix e d c a p a c i t y， pi p e a n d t wo t h r o t t l e o r i f i c e s ． T h e t w o d i me n s i o n a l u n s t e a d y fl o w f i e l d wa s c a l c u l a t e d w i t h a l g o r i t h m S I MP L E ． T h e mo d e l wa s d i v i d e d i n t o fi v e d o ma i n s a c c o r d i n g t o t h e mo d e l ’S g e o me t r i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d fl o w f e a t u r e s ．T h e d o ma i n s we r e me s h e d r e s p e c t i v e l y ．T h e r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t wi t h t h e r e s u l t s c a l c u l a t e d b y fi n i t e d i f f e r e n c e me t h o d ．T h e me t h o d c a n s u p p l y t h e fl o w fi e l d i n s i d e t h e p i p e a n d c a n g i v e t h e j e t fl o w z o n e a t t h e o u t l e t o f t h e s y s t e m．T h e m e t h o d c a ll b e t h e t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r r e s e a r c h i n g t h e fl o w fi e l d c h a r a c t e r i s t i c s ． Ke ywo r d sPn e u ma t i c s y s t e m； Un s t e a d y flo w fil e d；Thr o t t l e o r i f i c e 近年来随着气动系统的高速化和小型化及其在工 业 、能源中越来越广泛的应用 ，人们对气动系统在运 行过程 尤其是放 气过程 中压缩 空气 的状态 变化 越来越关心 ～ 。在气动控制系统 的设计及很多课题 的研究中 ，例如气动系统的仿真研究和气动系统 的结 露研究 ，都需要对气动 系统进行流场计算 。许多研究 工作多是对管路进行一维流场计算，对气缸或容腔中 的气体参数多采用集中参数 法，因此不 能了解管路的 径向参数分布以及节流 口对管路流场的节流特性 ，难 于满足实际需要 。 作者建立 了二维 固定容积的气动系统的模型 ，将 模型分区域 网格 ，采用 湍流 K - a两 方程模 型 ，运用 S I M P L E算法 对气动系统二维黏性流场进行 了计算。 该算法不仅解决 了管路出 口处的背压难以给定的问 题 ，而且可以计算出 口处 的尾部射流区的流场 ，为研 究管路的节流特性 及流 场参数 分布 提供 了详细 的数 据。并且将计算结果和其他方法的计算结果进行对比 说明了该方法的准确性 。 1 模 型的建 立 实际 的气 动 系统 由气 源 、气缸 、节 流 阀 、电磁 阀、负载和管路组成。作者将气动系统简化为固定容 积并带有一定长度管路和两个固定节流 口的系统 ，如 图 1所示。 在 作 者 的 研 究 中 设 定 1 理想气体 ； 系 统 中气 体 为 图 1 气动系统示意图 2 模型 中每个 网格 中压 力 、温度 等为均 匀分 布 ； 3 忽略重力的影响。 流体流动遵循的定律包括质量守恒定律 、动量 守恒定律 、能量守恒定律 等 。如 果流 动处 于湍 流状 态 ，系统还要遵 守附加 的湍 流输 运 方程 。控 制方 程 如下 。 1 连续性方程 p ／Zx 杀 p u 0 式中 P为容器 内空气的密度 ，k g ／ IT I ； r 、 为径 向坐标 、轴 向坐标 ，m； t 为时问，s ； 、“ 分别为径 向速度 、轴 向速度 ，m ／ s 。 2 轴 向和径 向的动量守恒方程 击 r rp u __r1 da， “ 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 4 作者简介朱冬 1 9 8 3 一 ，男，博士研究生，主要研究方向为气压传动与控制。E m a i l Wi n t e r Z h u y a h o o ． s u m ． c n 。 第 l 5期 朱冬 等气动系统二维非定常流场计算 8 7 一鲤 O x 击 [ 2 等一 了2 V ] 一 i o [ o u ] 啬 p u ， 击 u r rp u 一 韭O r V 了1 o [ 2 等一 了2 V ] [ O r 1／ 卜 u r s 其 中 v ． d Or r 式 中 肛为空气的黏度 ，N ／ m 。 3 能量守恒 方程 _ O p h o V 。 “ V A V O U r r [ 警 】 s 式 中 h 。 为 总比焓 ，J ／ k g 。 4 状态方程 P p RT 5 K - s两方程湍流模 型 兰 O t O x r O r 击 【 ] 了1 o [ r , ／ O K， 1 G - p 6 Ox r Or 立 Ox[ 蓑 ] a L ＼ 。 ／ a J 鲁 [ r 警 】 詈 c 。 G - c 2p e 式 中 G { 2 [ 警 ‘ 警 ‘ ] 十 等 ‘ 2 边界条件及初始条件 三 算 的 1 容 器 墨 性 以 及 了 解 节 流 171 2 处 的L 皇 而 曼 在 篓 图 2 气 动 系 统 二 维 模 型 了 大 气 区 域 。模型 为轴 对 一一 ⋯～ 一 ⋯ 一 称 ，为简化模型和减少计算量 ，将模型按照水平对称 轴简化 ，如 图 2所示 。 根据模型结构 ，将模型分为 5个区，分别为容器 区 、节流 E l 1区、管路 、节流 口 2区及大气 区域 。 容器 区为容积 固定 的区域 ，初始时具有一定压力 和温度 ；节流 口 1区 ，为连 接容器 和管路 的节 流 IC l ； 管路 区为具有一定长度 的无滑移边界条件 的气管 ；节 流K I 2区，为连接气管和外界大气的节流口；节流IY l 1 、管路和节流 口 2初始 时均具 有 和容腔 内气体相 同 的压力和温度 ；大气区域是大气环境 ，初始压力为大 气压 。 3 计算结果 为 了验证该 方法的正确性 ，现给 出一算例 ，主要 参数为 容器容积为 5 L ，供 气压力 为 0 ． 5 MP a 表 压力 ，供 气环境 温度 为 2 6℃ ，管长为 0 ． 5 m，管 内 径为 0 ． 0 0 6 1T I ，管入 口无节流 口，管出 口节 流 口 2有 效节流面积为 1 7 ． 1 m m 。 3 ． 1模 型的 网格化 按照上述参数 建立模 型 ，并将 容器 区、管路 区 、 节流 口区及大气区域进行分区域网格 化 ，网格结果如 图 3所示 。 a 模 型整 体 网格 f b 容器 区网格 c 节流 口2 处羽格 图 3 模 型网格示意图 3 ． 2 计算结果分析 文献 [ 2 ] 运用 有 限差 分法对相 同参数 的气动系统 进行了计算 ，其计算所得压 力 曲线 如图 4所示 。 通过该方法计算得到的 放气 过程相 同位 置压力 曲线 如图 5所示 。 时间／ s 图4 有限差分法计算的 放 气过程压力 曲线 8 8 机床与液压 第 3 8； 从 图 4 、5的对 比可 以得到 ，通过二维 轴对称模 型的方法得到的结果 与有限差分法计算得到的结果有 较好 的一致性。 容器放气过程 中放气 口节流 口2的质量流量 如图 6所示 。 耋 } 、 、_ 蕃 突 告 I力0 处 叁 0 ．4 { 、 管入口 c m处 耋0 ． 3 ⋯‘ 管入H 3 7 c m 处 0 ． 2 { 图 5 该方法计算 的放 气过程压力 曲线 l l 1 ． 0 2 I I 3． 0 时问／ s 图 6 放气过程 中节流 口2的质昔流量 从图6中可以看出，质量流量随着放气过程不断 地减小 ，放 气 开始 时 质 量 流 量 为 1 7 ． 5 g ／ s ，当 t 4 ． 2 s 时，质量流量为0 ． 6 s ，可认为放气基本结束。 当 t 0 ． 1 S 时 ，节流 口 2处 压力 云 图如图 7所 示 ，速度等值线如图 8所示 。 图7 t 0 ． 1 S 时节流 口2处压力云图 图8 t 0 ． 1 s 时节流口2处速度等值线图 图 7 表 明在节流 口2处有较 明显的压力梯度 ，管 路 内部和大气 区域的压力分布均匀。图 8表明在与节 流 口2紧邻的大气 区域 中形成 了明显的射流区域 。最 大放气速度出现在大气区域中并紧邻节流口2 处 ， 为 4 5 5 m ／ s ，处于超音速范围。 当放气时间 t 2 ． 9 5 S 时 ，节流 口 2处压 力云 E 如图9所示，速度等值线如图 1 0所示。 图 9 ， 2 ． 9 5 S 时节流 口2处压力云图 图 1 0 t 2 ． 9 5 s 时节流口2处速度等值线图 图 9表明 t 2 ． 9 5 S时节流 口 2处压 力为 0 ． 0 3 9 M P a ，压力梯度较 t 0 ． 1 S 时减少了很多 。图 1 0表 节流 口2处速度 等值 线与 t 0 ． 1 S 时有所 不 同 ，由 t 0 ． 1 S 时的超音速转为 了亚音 速 ，最 大速度 出现在 节流口2内部 ，其值为 1 7 0 m ／ s 。 4结论 以固定容积并带有一定管路和 固定节流 口的气 系统为研究对象 ，提出了气动系统的二维模型的建立 和网格方法 ，运用 S I M P L E算法对气 动二维非定常流 场进行 了数值模拟 ，计算结果与有限差分法的计算结 果有较好的一致性 ，证明 了该方 法的正确性 。该方法 可以计算出管路内流场情况和管路出口处的射流区流 场 ，为详细研 究管路 的流场提供 了依据 。 参考文献 【 1 】 李军， 许剑， 包钢． 典型气动回路流场及传热计算[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 8 1 2 51 2 8 ． 下转第4 6页 4 6 机床与液压 第 3 8卷 一 个统一的参数设置界 面 图 2 ，在这 里可 以方便 地对各个传感 器 的通 道 、线性 函数 的系数项 进行设 置 ，同时也 可以对定时器的时间参数和其 他的一些辅 助信息进行设置。作者通过 D e l p h i 软件对 i n i 文件的 读写操作非常方便地实现了该功能 ，使各个子程序对 这些通用信息可以方便地调用和修改。文献 [ 2 ]详 细地介绍 了 D e l p h i 软件对 i n j 文 件的操作 ，这 里使用 D e l p h i 中的 T i n i fi l e类 的具 体方 法来实 现该功 能 ，下 面选取 了一部分具有代表性的代码 ／ ／创建 i n i 文件类实例 m y i n i my i n i T i n i fi l e ． C r e a t e e x t r a c t fi l e p a t h a p p l i c a t i o n ． E x e N a me r e g ． i n i ； ／ ／从 r e g ． i n i 文件读人信息 c h ～y a l i l m y i n i ． R e a d l n t e g e r 动态 特性试验参 数 设置 ， 压力 1 传感器通道 ， 3 ； s t r a l y a l i 1 m y i n i ． R e a d S t r i n g 动态特性试验 参 数设置 ， 压力 l 一次项 系数 ， 1 4 0 ． 6 ； s t r _a 0一y a l i l m y i n i ． R e a d S t r i n g 动态特性试验参 数设置 ， 压力 1 零次项 系数 ， 一 1 ； s t r d o n g t a is a m p l e m y i n i ． R e a d S t r i n g 动态特 性 试验参数设置 ， 定时器时间 ， 1 0 0 0 ； s 打 一a Ol i u l i a n g m y i n i ． R e a d S t r i n g 动态特性试 验 参数设置 ， 流量 系数 ， l s t r _n o m y i n i ． R e a d r i n g 动态 特性试 验参 数设 置 ， 设备编号 ， 设备 1 ； s t r m e m o m y i n i ． R e a d S t r i n g 动态特性试验 参数 设置 ， 备 注信息 ， 动态试验 ； ／ ／ 把信息写入 r e g ． 文件 m y i n i ． Wr i t e l n t e g e r 动态特性试验参数设 置 ， 压 力 1 传感器通道 ， c h y a l i l ； m y i n i ． Wr i t e S t r i n g 动 态特性试验参 数设置 ， 压力 1 一次项系数 ， a l y a l i l ； m y i n i ． Wr i t e S t r i n g 动态特性 试验参数 设置 ， 压力 1 零次项系数 ， a O y a l i 1 ； m y i n i ． Wr i t e S t r i n g 动态 特性 试验 参数设 置 ， 定 时 器时间 ， d o n g t a i t i m e r ； m y i n i ． Wr i t e S t r i n g 动态特 性试验参数 设置 ， 流量 系数 ， 【q 】 一 l i u l i a n g ； m y i n i ． Wr i t e S t r i n g 动态特性试 验参数设 置 ， 设 备 编号 ， s t r n O ； m y i n i ． Wr i t e S t r i n g 动态特性试验 参数设置 ， 备注 信息 ， s t r m e m o ； ／ ／ 释放资源 m y i n i my i n i ． fle e； 4结束语 详细介 绍了使用 D e l p h i 软件 开发 液压试验 数据 保存和显示程序的具体过程，介绍了M e m o 控件的应 用和 D e l p h i 对 i n i 文件 的读写操作 ；根据液压元 件动 态试验和静态试验特点 ，详细分析 了程序开发的思路 及其实现方法。通过在液压试验 中的实际应用 ，验证 了该 程 序 是 可 靠 的 、实 用 的。文 中所 有 程 序 均 在 Wi n d o w s 2 0 0 0和 D e l p h i 7环境下调试通过。 参考文献 【 1 】牛汉 民． D e l p h i 7应用开发教程 D e l p h i 程序员认证 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 5 ． 9 ． 【 2 】 韦伟， 陈华． D e l p h i 中对 i n i 文件的读写操作[ J ] ． 黄冈职 业技术学院学报 ， 2 0 0 6 ， 8 1 8 3 8 5 ． 上接第 6 9页 6结论 在深 海 环 境 下 ，电 液 比例 系 数 宜 采 用 P I D控 制 ，其 比例 系数 K 不 应该 用 固 定的 值 ，采 用 可变 的值较好 ；随着油液黏度 或海水深 度 的增 加 比 例系数采用适当大一点的值，这样会改善在高阻尼 系数 高黏度或深海条件 下的系统 动态特性 ，而 在低阻尼系数 低 黏度 或 浅 海 下应 该减 小 的 值 。 参考文献 【 1 】 朱凡， 王振华， 孙运强． 基于 M A T L A B的电液比例控制 系统仿真研究[ J ] ． 机械工程与自动化 ， 2 0 0 7 1 5 9 61 ． 【 2 】 杨叔子， 杨克冲， 等． 机械工程控制基础 [ M] ． 5版． 武 汉 华中科技大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 7 。 【 3 】曹学鹏， 邓斌， 于兰英， 等． 基于混合润滑的深海溢流阀 动特性研究[ J ] ．机械科学与技术， 2 0 0 9 9 ． 【 4 】柯坚． 现代水压驱动技术[ M] ． 成都 西南交通大学出版 社 ． 2 0 0 2 ． 1 ． 上接 第 8 8页 【 2 】 李军， 李玉军， 王祖温， 气动充放气 系统的流场计算 [ J ] ． 机床 与液压 ， 1 9 9 9 2 2 4 2 6 ． 【 3 】田中宏明． 滴状凝缩c 二 圉寸6 研究理揄的研究[ C ] ／ ／ 日 本樾械学会揄文集 第二部 ． 1 9 7 3 3 0 9 9 3 1 1 3 ． 【 4 】 J I N Y i n g z i ， WA N G Z u w e n ， B A O G a n g ． C o n d e n s a t i o n d u ri n g d i s c h a r g i n g o f p n e u m a t i c s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e r i n g， T r a n s a c t i o n s o f t h e A S ME， 2 0 0 4， 1 2 6 2 4 3 0 43 5． 【 5 】 韩占忠， 王敬， 兰小平． F L U E N T 流体工程仿真计算实例 与应用 [ M] ． 北京 北京理工大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】李玉军， 王祖温， 包钢． 考虑管路特性的气动系统的流场 计算[ J ] ． 热能动力工程， 2 0 0 0 9 5 0 6 5 0 9 ．