基于CFD和FSI的擺線泵仿真分析

雙螺桿泵

2023年6月25日 14:53

本欄目旨在不拘泥于內(nèi)容的限制，以點帶面，介紹流控領(lǐng)域不同的研究方向、課題以及優(yōu)秀的作者和團隊，為廣大讀者及研究人員提供新鮮的研究思路，為作者及團隊提供展示平臺。

本期為各位讀者推薦《基于CFD和FSI的擺線泵仿真分析》，并向各位讀者介紹該課題的研究背景、取得成果以及研究團隊。

基于CFD和FSI的擺線泵仿真分析

黃龍龍，王艷華，劉勇，徐勁松

摘要：目前在擺線泵數(shù)值模擬方面，多數(shù)研究基于CFD對不同運行工況（如轉(zhuǎn)速、溫度等）下的泵進(jìn)行分析，未考慮在流固耦合（Fluid Structure Interaction，F(xiàn)SI）作用下泵的特性。首先基于COMSOL軟件建立了擺線泵的模型，對旋轉(zhuǎn)域采用動網(wǎng)格技術(shù)，流固耦合界面進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件后對泵進(jìn)行CFD和FSI仿真，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：FSI的仿真的流量平均值均更接近試驗的結(jié)果，F(xiàn)SI出口處流量脈動率最大；FSI和試驗的出口壓力平均值均低于CFD的仿真值，且CFD和FSI的壓力均值更接近實際出口邊界設(shè)置。通過對比內(nèi)外轉(zhuǎn)子間流體域某一截面速度和壓力得出：在吸油區(qū)域計算得到的負(fù)壓CFD大于FSI，計算得到的速度CFD小于FSI；在排油區(qū)計算得到的正壓力CFD大于FSI，計算得到的速度CFD小于FSI的結(jié)果。在內(nèi)外轉(zhuǎn)子與流體耦合界面某點處CFD的壓力隨時間的波動值均大于FSI的壓力值。通過對比發(fā)現(xiàn)耦合對計算結(jié)果有很大的影響，對泵進(jìn)行流固耦合分析使得分析結(jié)果更加真實，更有利于對泵的流場和轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：擺線泵；CFD；流固耦合（FSI）；數(shù)值模擬

研究背景

內(nèi)嚙合擺線齒輪泵結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、流量大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、不易產(chǎn)生“氣穴”、容積效率較高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于化工、機械、食品、紡織等行業(yè)中。對擺線泵的嚙合特性流量特性、運動特性以及泵的容積效率、機械效率等基本特性的研究是提高擺線泵質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

課題研究成果

圖1 FSI模型建立

圖2 流體和固體耦合界面設(shè)置

圖3 試驗、CFD和FSI出口瞬時流量

圖4 試驗、CFD和FSI出口瞬時壓力

圖5 CFD和FSI旋轉(zhuǎn)域某截面壓力分布對比分析

圖6 內(nèi)外轉(zhuǎn)子表面最大壓力分布

圖7 不同時刻內(nèi)外轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布

圖8 進(jìn)油腔截面處壓力分布

圖9 優(yōu)化后擺線泵模型圖

圖10 1500 r/min時優(yōu)化前后進(jìn)口瞬時流量

圖11 1500 r/min時優(yōu)化前后進(jìn)口瞬時壓力

圖12 3000 r/min優(yōu)化前后進(jìn)口流量對比

圖13 3000 r/min優(yōu)化前后進(jìn)口壓力對比

課題總結(jié)和展望

課題將擺線泵CFD仿真與流固耦合相結(jié)合，并試驗驗證了仿真的可行性，流固耦合較CFD提高了仿真的準(zhǔn)確性，之后基于FSI仿真優(yōu)化了擺線泵進(jìn)排油腔。課題展望：

（1）仿真方面，目前采用黏度模型來模擬轉(zhuǎn)子間的接觸，流固耦合可以模擬內(nèi)外轉(zhuǎn)子的接觸，使仿真更接近真實。

（2）擺線泵的性能受到轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、出口壓力、溫度等的影響，基于FSI對擺線泵的工況可進(jìn)一步詳細(xì)研究。

（3）受計算量所限，目前僅對擺線泵的進(jìn)排油腔進(jìn)行優(yōu)化，可進(jìn)一步對轉(zhuǎn)子參數(shù)優(yōu)化從而提升泵的性能。

研究團隊介紹

微納潤滑與磨損研究團隊現(xiàn)有教師7人，其中教授1人，副教授3人，是中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院動力系統(tǒng)性能與結(jié)構(gòu)研究室團隊的核心組成部分，在讀研究生8名。團隊以多物理場仿真技術(shù)、微納材料界面潤滑在動力傳動領(lǐng)域的應(yīng)用研究為重點，主要研究方向包括液壓潤滑系統(tǒng)多物理場仿真、納米材料潤滑性能、摩擦磨損分析與預(yù)測等。

團隊負(fù)責(zé)人

劉勇，博士，副教授，中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院教師，主要從事微納尺度潤滑與油液監(jiān)測技術(shù)研究，在研項目包括國家自然科學(xué)基金、國防重點實驗室基金、山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃面上項目等9項，出版學(xué)術(shù)專著1部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，其中SCI收錄5篇，EI收錄4篇，授權(quán)國家發(fā)明專利2項。