气动式高温流量调节阀多场耦合特性的研究

论文摘要

超燃冲压发动机工作时采用的是再生主动热防护,燃料在进入燃烧室之前,燃油温度能够达到400～600℃。燃油流量调节的精度是发动机正常工作的重要保障,本文研究的气动式高温流量调节阀(简称高温阀)主要用于超燃冲压发动机燃油供给系统的流量调节,具有在高温下工作时密封性能良好,流量调节精度较高的优点。本文介绍了气动式高温阀的结构和工作原理,研究了高温阀的流量调节性能。高温阀在调节高温燃油流量时,因受热膨胀而产生变形,影响高温阀在正常工作时,高温燃油的流量调节精度和调节速度等性能。本文采用热流固多场耦合的方法,基于ANSYS有限元软件,进行高温阀热力学特性的仿真分析,得到了高温阀稳定工作时,阀体内部的温度场、热应变场及热应力场分布规律。通过对高温阀阀芯受力分析,建立了阀芯位移闭环控制的数学模型,基于Matlab/Simulink平台对阀芯位移闭环控制的动态特性仿真分析,得到了动态响应速度、响应频宽和最大超调量等性能指标。为了得到高温阀在实际工作时的流量调节性能,本文进行了试验研究。搭建了高温阀流量调节的试验系统,在燃油工作温度为400℃的条件下,测试高温阀阀芯位移闭环控制的动态特性,得到了实际工作的动态响应速度、响应频宽和最大超调量。同时,还测试了高温阀在达到热平衡状态过程中,阀体表面关键测点的温度变化。最后,将仿真结果和试验结果比较分析,两者吻合较好,验证了仿真分析的可靠性。高温阀的热力学特性分析为阀的材料选取和结构改进提供了理论依据,由阀芯位移闭环控制的动态特性可以推断高温阀的流量调节性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高温流量调节阀的研究现状
• 1.2.2 多场耦合分析的研究现状
• 1.2.3 锥阀流量调节特性的研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 气动式高温流量调节阀的数学模型
• 2.1 高温阀的结构和工作原理
• 2.1.1 高温阀的结构
• 2.1.2 高温阀的工作原理
• 2.2 高温阀多场耦合的热力学模型
• 2.2.1 多场耦合的分析方法
• 2.2.2 导热的数学模型
• 2.2.3 对流换热的数学模型
• 2.2.4 热应变的数学模型
• 2.2.5 热应力的数学模型
• 2.3 高温阀流量调节的数学模型
• 2.3.1 高温阀流量方程
• 2.3.2 控制腔的压力特性
• 2.3.3 高温阀阀芯的受力分析
• 2.3.4 高温阀闭环控制的传递函数
• 2.4 本章小结
• 第3章 气动式高温流量调节阀的仿真分析
• 3.1 高温阀热力学特性的仿真分析
• 3.1.1 仿真软件简介
• 3.1.2 高温阀温度场的仿真分析
• 3.1.3 高温阀热应变场和热应力场的仿真分析
• 3.2 高温阀流量调节特性的仿真分析
• 3.2.1 阀口的开闭特性
• 3.2.2 阶跃响应特性
• 3.2.3 正弦响应特性
• 3.3 本章小结
• 第4章 气动式高温流量调节阀的试验研究
• 4.1 高温阀的试验系统
• 4.1.1 试验系统工作原理
• 4.1.2 主要试验元件的功能
• 4.2 高温阀热力学特性的试验研究
• 4.2.1 温度测试原理
• 4.2.2 关键温度测点的试验测试
• 4.3 高温阀流量调节特性的试验研究
• 4.3.1 阶跃响应特性试验
• 4.3.2 正弦响应特性试验
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢