直角转弯

2024-08-09

直角转弯（共3篇）

直角转弯篇1

0 引言

集成块作为液压系统的重要部件对系统的多项性能参数均具有重要影响，因此一直是学者们研究的热点。近年来随着计算流体动力学(CFD)的发展，已有一些学者利用CFD技术对集成块内部流道的液流特性开展研究。田树军等[1]、Fen等[2]、张宏等[3]应用CFD技术对液压集成块内部典型流道流场进行了系统的数值模拟研究，提出从液流特性的角度对液压集成块内部流道进行优化设计。杜经民等[4]利用CFD方法对实际工况下液压集成块内复杂流道进行建模和仿真，分析了影响液压集成块压力损失的主要因素及液压集成块内部流道结构与液流流动特性的关系。袁昌耀等[5]针对工程中常用的液压集成块，运用数值手段分析了偏心距、工艺孔直径和流向等参数对阀块流道流场特性的影响。高殿荣等[6,7]对带有直角转向的流道进行了数值模拟研究，分析了集成块流道内部能量损失的大小、位置及原因，提出减少转向结构和工艺孔容腔的数目是降低集成块内部能量损失的有效手段。林义忠等[8]针对工程实际中三种典型直角转弯流道，利用Fluent软件对其压力损失特性进行对比分析，采用最小二乘法拟合得到了正交无工艺孔容腔直角孔道的局部阻力系数与流道流速的关系式。许同乐[9]对直角弯管流道流场进行有限体积法数值模拟，得到了直角弯管内摩擦阻力系数与雷诺数之间的关系。

近年来，随着粒子成像测速技术(particle image velocimetry,PIV)的发展和成熟化，已经开始有学者利用该技术对液压元件内部流场进行测量分析。谢龙等[10]利用PIV技术对阀体后90°圆截面弯管的内部流场进行测量，获取了不同来流速度下的弯管瞬态流场。高殿荣等[11]利用有限元法和PIV技术对三种不同开口度下进口节流滑阀的流场进行了数值计算和PIV可视化研究。

由于液压集成块内部流道结构形式繁多、流动状态复杂且难于直接测量，因此针对集成块流道流场测量的试验研究尚不多见，尤其是利用PIV技术对存在刀尖角容腔的直角转弯流道内部流场进行试验测量的研究还未见报道。基于此，本文搭建了一个低速阀块流道流场可视化测试试验台，运用2D-PIV技术对6种不同刀尖角结构的流道中心截面的平面流场进行了测量，分析了刀尖角容腔的结构对流道液流特性的影响。

1 试验装置

1.1 直角转弯流道流场测量试验系统

为了获得刀角容腔结构如长度和位置对直角转弯流道液流特性的影响，搭建了一个重力驱动的低速阀块流道流场测量试验台，如图1所示。该系统主要由高位水箱、进出水管道、可调式节流阀、直角转弯流道阀块组、阀块专用夹具以及PIV流场测量系统等组成。

由于原型阀块流道的尺寸较小，管道曲率较大，管壁界面处会产生强烈的折射和散射效应，增加了测量的难度，为便于测量，需将阀块流道尺寸进行适当放大。同时，考虑到如果采用液压油作为流动介质会出现示踪粒子抱团凝聚的现象，示踪粒子很难布撒均匀，因此试验中采用水作为流动介质。为了保证放大后试验阀块流道流场的特性与原型阀块流道流场特征相同，试验阀块流道几何参数及工作参数需经过雷诺相似计算确定。

雷诺相似准则为

式中，ρ为密度;l为特征长度，本文中指的是流道直径;v为流体速度，本文中指的是流道进口流速;μ为流体动力黏度;下标p、m分别表示原型阀块、试验阀块。

定义:

式中，kρ为密度比例系数;kv为速度比例系数;kl为长度比例系数;kμ为黏度比例系数。

将上述定义参数代入式(1)并整理得

在式(2)的限制下，根据原型阀块的几何及工作参数，计算得到试验阀块参数，结果如表1所示。由于试验中流道平均流速仅为0.067 m/s，因此采用高位水箱依靠重力驱动介质在阀块中流动。试验中采用量筒和秒表确定通过阀块的体积流量。通过反复试验，在一定的液位高度范围和节流阀口开度下，能够保证在测量时间段内实现准稳态测量，试验中阀块流量控制在1.4 L/min左右，对应的阀块入口平均流速约为0.067 m/s。试验之前，在水箱中均匀布撒一定浓度的平均直径为20μm的聚苯乙烯作示踪粒子。

1.2 直角转弯流道试验阀块

试验阀块采用透明有机玻璃加工而成，该种材料透明度高，有利于激光透射照亮示踪粒子。阀块背面做黑化处理，目的是形成白亮粒子和黑色背景的鲜明对比，以增加软件判读的准确性。工程实际中的直角转弯流道多采用钻孔、扩孔、铰孔等方式加工而成，加工时钻头不可避免地会在流道末端形成一段刀尖角区域，而该刀尖角区域的位置和长度会对直角转弯流道的液流特性产生重要影响。本试验根据刀尖角容腔位置和长度的不同，确定了6种结构形式的试验阀块，如图2、图3所示，其中L、D分别为工艺孔长度和直径。6种结构的共同特点是入流和出流孔道直径D同为21 mm，两孔道正交且轴线处在同一个平面内，即无偏心，进出口水平距离、垂直距离分别为120mm、60 mm。由于流体通过转弯时的影响主要集中在弯头下游流场，因此出流管段长度长于入流管段长度。

1.3 2D-PIV系统

本文采用的2D-PIV系统由单个CCD照相机、激光片光源系统、信号同步器以及Dynamic Studio V2.3软件构成。其中，CCD照相机、信号同步器及Dynamic Studio软件系统均由丹麦的Dantec公司生产和开发，CCD照相机(Dantec FlowSense Infinity X-32)分辨率为1600 pixel×1200pixel，相机前配有一个标准的60 mm尼康光学镜头及滤光片。激光片光由Beamtech公司生产的Vlite-Extra双谐振脉冲Nd:YAG固体激光器产生，激光器输出激光波长为532 nm，双帧模式(double frame mode)下的最大触发频率为15 Hz，单个脉冲的最大能量为120 m J，脉冲光采用Q-switch触发方式获得，脉冲宽度为6～8 ns，跨帧时间可达微秒级，具体数值需根据试验工况调定，最窄光腰厚度约为1 mm，最大视场可达200 mm×200 mm。信号同步器用于控制CCD照相机和激光片光源的触发延迟。Dynamic Studio软件系统用于控制整个数据采集过程、设置采集参数并对原始粒子图像进行结果后处理。

1.4 PIV系统调试

在正式进行PIV测量试验之前，需要对PIV光路系统各元件位置的布置、跨帧时间(time between pulses)的选取做精细考虑。

按照2D-PIV测量系统对模型、相机和激光头三者的位置关系的要求，本文测量的流场区域为流道的中心对称面，选择流道与外壁最薄面作为激光入射面，综合调整激光头、CCD相机位置及流道阀块摆放姿态以实现对流道中心对称面流场的测量，其中一种光路布置方案及原始粒子图像如图4所示。在测量区域确定之后，对PIV系统进行标定，由于本次试验为2D-PIV测量，因此采用刻度尺对其进行二维标定。

试验中跨帧时间的选取对能否处理出准确的流场矢量图至关重要，一般要求前后两次曝光图像中示踪粒子的位移为查问区域(32 pixel×32 pixel)边长的1/3～1/2，即跨帧时间的设置既与流场速度有关，又与查问区域大小有关。依据文献[12]中的跨帧时间Δt的确定方法(Δtvmax=250，其中Δt、vmax的单位分别为μs、m/s)，经计算与反复试验，本文试验采用的跨帧时间Δt=4150μs。

本文采用Dantec公司开发的自适应关联算法(adaptive-correlation)对原始双曝光粒子图像进行数据处理，数据分析过程中查问区域设置为32pixel×32 pixel，重叠率25%，触发频率取激光系统的最大工作频率15 Hz，即每秒获得15对图片，后文的流场测量结果均为对30对原始图像处理后的统计平均结果，即反映的是时均流场。

2 结果分析与讨论

本试验分别对2种类型、6种不同结构形式的直角转弯流道流场进行了PIV测量，图5、图6分别汇总了入流口速度为0.067 m/s时的流道中心对称平面测量结果，图中的矢量图、云图及流线图均为原始试验数据经Tecplot软件后处理得到。

图5所示为入流方向正对刀尖角容腔时直角转弯流道中心对称平面的时均流场。观察各图可知，流体在入流孔道直线段的流动状态比较一致，说明刀尖角容腔对入流段的流场影响很小，因此入流段取较小的长度是合适的。在流体经过直角转弯进入出流段的过程中会产生两处涡流。其中一处产生在刀尖角容腔，对比发现涡流的尺度随刀尖角容腔长度的增加而增大。此处涡流形成的原因是当液流由直线段进入转弯段时，由于自身惯性作用，有进入刀尖角容腔的趋势，但由于容腔本身已经被流体占据，因此入流流体受到阻碍而转向出流段，但流体在转弯的过程中，由于黏性作用，不可避免地对容腔内流体产生持续的、单向的黏性切应力，在此切应力的作用下，容腔内流体发生强烈的逆时针旋转，即涡流。旋转流体通过与固体壁面的摩擦以及旋转流体自身的黏性摩擦将流体的动能最终耗散为热，这是造成直角转弯流动损失重要因素之一。

另一处涡流发生在直角转弯后的出流管段内拐角处，此处涡流属于典型的流体过弯二次流，流体在过弯时由于自身惯性作用，不能随着转弯管道发生突然转向，导致在过弯时流体的流线开始与内拐角壁面分离，由此会造成分离损失。观察过弯后的流动分离线可知，分离线位置基本不随刀尖角容腔长度的变化而改变，说明此处的涡流强度与刀尖角容腔的长度基本无关，即产生的流动损失与刀尖角容腔长度基本无关。综上，减小刀尖角容腔长度能够降低刀尖角容腔的涡流损失，而对过弯二次流造成的流动损失基本没有影响。

图6所示为出流方向正对刀尖角容腔时直角转弯流道中心对称面的时均流场，其流动形式与上述情形类似，也存在两处典型的涡流区，同样地，刀尖角容腔内的涡流强度随容腔长度的增加而增大，过弯二次流的涡流强度与刀尖角容腔长度基本无关。但从刀尖角容腔涡流形成机理来讲两者略有不同，观察可知，在此种结构形式下，入流管段过来的流体因为直接冲击固体壁面受到阻挡而转弯，不同于上述情形中受到容腔内流体阻挡而转弯，因而主流流体从侧面掠过刀尖角容腔流体而并非直接冲击，从而对刀尖角容腔中流体的黏性切应力要小于上述情形，涡流强度及涡流造成的流动损失也要小于上述情形，这说明在同样刀尖角容腔长度下，出流方向正对刀尖角容腔时的流动损失会小一些。

3 结论

(1)带有刀尖角容腔的直角转弯流道中存在两处显著涡旋，分别位于刀尖角容腔和直角转弯出流管段内拐角处。

(2)刀尖角容腔与进出口相对位置关系不影响直角转弯流道的基本流动形式，但会对其中涡流形成机理及涡流尺度产生影响，出流方向正对刀尖角容腔时的流动损失要小一些。

(3)减小刀尖角容腔长度，可以有效降低尖角容腔的涡流损失，但对过弯二次流的流动损失基本无影响。

(4)从减小流动损失、降低输配能耗的角度看，集成块流道设计应尽量减小刀尖角容腔的长度，同时尽量选用出流方向正对刀尖角容腔的直角转弯形式。

参考文献

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直角转弯篇2

“直角转弯”做为科目二(俗称的场地)考试5项中，属于比较容易且简单的一个项目，过关秘诀是“车速一定要慢，转向一定要快”。只要把控好离合控制车速，及时且迅速的回转方向盘，一般都能顺利通过该项目。这里，我们介绍两种常用的方法。

第一种方法：

摆好车身靠右侧30CM左右间距后，车辆保持直线行驶，当车门上的车窗升降器刚好对准左边拐角点(此时左后视镜刚好越过左拐角线)也可以理解为升降器与左拐角线呈现平行或重合成一条直线的状况时，立刻向左打满方向盘。转弯过后当车身与边线平行时(也即是车身转正后)，迅速回正方向。匀速驶出即可。

第二种方法：

同样，必须摆好车身靠右侧30CM左右间距后，车辆保持直线行驶。

以发动机盖为参照点，但是根据每个学员的身高坐姿不同而有所调整。中等身高的学员，当发动机盖刚好接触并要挡住正前方边缘线时，迅速向左打死方向盘;身材偏矮小的学员，当发动机盖完全挡住前方边缘线后，再向左打满方向盘;身材高大的学员，则在发动机盖快要接近前方边缘线时，才向左打满方向盘。(也即是个高学员要提前一点在挡住线的时候转方向盘，一般的大众身高学员则是刚好在档住线那刻马上转向，身材矮小学员，则是在挡住线后延后一点再转向。

此方法就要求学员自己根据自身的身高，结合平时训练，相应的找准自己的时机，是刚好档线转向，还是档线延后一点转，又或是还未接近边缘线提前一点就转向)转弯完成后也可通过观察后视镜当车身与边线平行时回正方向盘，匀速驶出即可。