基于Fluent的齿轮泵内部流场动态模拟 - 图文

基于Fluent的齿轮泵内部流场动态模拟

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摘 要： 齿轮泵是液压传动及润滑系统中的常用部件，为了准确地捕捉泵内流场的变化，采用动网格技术对齿轮泵进行动态数值模拟，分析齿轮泵在齿轮旋转情况下的内部流场的变化。 关键词：齿轮泵；内部流场；动态模拟

Dynamic simulation of flow field inside of gear pump based on Fluent

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Abstract: The gear pump is an important component in hydraulic transmission and lubrication system. In order to catch the variation of flow field inside of gear pump, the moving grid technology is used to dynamic simulate the flow in gear pump, and the flow variation inside of gear pump with gear rotating is analyzed.

Key words: gear pump; inside flow field; dynamic simulation

1 概述

齿轮泵适用于输送不含固体颗粒和纤维、腐蚀性的润滑油或性质类似润滑油的其他液体，以及液压传动系统。齿轮泵的内部流动对齿轮泵的性能有较大的影响,在齿轮泵的设计初期就应该考虑泵内结构对流动的影响，以便设计符合要求的齿轮泵。齿轮泵的内部流场的动模拟为齿轮泵内部结构设计提供重要的参考数据，是现代齿轮泵设计的一项重要辅助手段。

由于齿轮泵内齿轮运动及工作介质流动的复杂性,其数值模拟工作比较复杂,国内对齿轮泵的模拟仅局限于流量模拟,没有进行详细的泵内流场模拟，国外对泵内流场模拟相对较多。齿轮泵内部动态模拟有助于真实地反映泵内流动的变化,而目前这方面的研究较少。本文采用动网格技术模拟柴油机润滑用齿轮泵的转动过程中的动态流动,为齿轮泵的结构优化及新型齿轮泵的设计提供参考。

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2 液压齿轮泵模型

齿轮泵由一对齿轮相互啮合，齿轮的端面由前后端盖密封在，齿轮泵内形成两个密封的空间。当齿轮旋转时，齿轮脱开侧的空间体积从小变大，形成局部真空，液压油在大气压作

用下由吸油口进入，完成吸油过程。齿轮啮合侧的空间体积从大变小，液压油被挤出，经排油口流回到液压系统，完成压油过程。随着齿轮的不断旋转，实现齿轮泵的吸油与压油。

齿轮泵的参数如下：模数为n?3，齿轮数为z?10，变位系数为x?0.5，压力角为

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??960kg/m3，齿轮转速为v?420r/min，油的密度为??960kg/m3，粘性系数为

u?0.048Pa?s。

3 齿轮泵内部流场的动态模拟

3.1 几何构型和网格划分

在CAXA电子图板中绘制齿轮，该软件有绘制齿轮的命令，直接输入参数可以绘制所需齿轮，然后将齿轮导入CAD中，完成齿轮泵的绘制后导入专门的网格划分软件Gambit中，实现对齿轮泵网格的划分，考虑到计算区域的网格将在计算中发生较大的变形，所采用三角形网格进行计算区域的划分。并设置压力输入口，压力输出口，液压油由入口流向出口。网格划分结果如图所示。

图1 齿轮泵网格划分

3.2 求解参数

对外啮合齿轮泵作如下假设：流体是恒温的牛顿流体，具有不可压缩性，流体初始状态是静止的，并忽略体力的作用。基于上述假设，建立坐标原点在驱动齿轮中心的笛卡尔坐标系，采用标准的k?epsilon模型，形式如下：

??dk???ut??k??u?????Gk?Gb????YMdt?xi??k??xi???d????ut??k??????u??G1??Gk?C3?Gb?C2????dt?xi??k??xi?kk???2

齿轮泵数值模拟过程中，动网格采用profile函数，驱动齿轮旋转。数值解法采用有限体积法求解, 压力项用PRESTO!格式离散, 扩散项用中心差分格式离散,其余项用二阶迎风格式离散, 压力速度耦合方采用PISO算法求解。 3.3 计算结果及讨论

用齿轮泵内部流场采用FLUENT软件进行计算，数值模拟结果表明, 当左边齿轮逆时针、右边齿轮顺时针旋转时,从图2和图3中可以看出润滑油从上边进油口进入齿轮泵，从下边的排油口压出齿轮泵。进出口处的速度比较大，速度最大点出现在齿轮啮合间隙处，这也与实际情况相符。

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图2 齿轮泵速度云图

图3 齿轮泵内流线图

从图4压力分布看出, 动态模拟结果与实际情况一致, 即进入啮合的齿轮对附近容积减少, 压力升高, 而脱离啮合的齿轮对附近容积增多, 压力降低。齿轮间隙处出现负压力，由于液压油从高速区流向低速区，局部速度高高导致负压力现象。但是实际中负压力是不存在的，说明在单相流分析的控制方程中，极低的局部压力会产生气穴。齿轮泵内最大压力位置位于齿轮啮合区域，同时结合图2和图3可以看出齿轮啮合的高压区和低压区内速度达到最大。

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图4 齿轮泵压力云图

4 结语

建立齿轮泵模型，应FLUENT对齿轮泵拟，分析齿轮泵二维流场进行数值模拟，分析齿轮泵二维流场压力云图和速度云图。基于动网格的齿轮泵内部流场的数值模拟能较真实地模拟泵内油液流动随齿轮转动的瞬态, 能为齿轮泵的设计和结构优化提供很多有价值的参考数据。需要进一步进行实验验证,为基于动网格的齿轮泵内部流场动态模拟走向实践奠定基础。 参考文献:

[1] 江帆, 黄鹏. Fluent高级应用与案例分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008: 263-270.

[2] 朱红钧, 林元华, 谢龙汉. Fluent12 流体分析及工程仿真[M].北京 :清华大学出版社, 2011: 253-259.

[3] 江帆, 陈维平, 李元元, 屈盛官. 润滑用齿轮泵内部流场的动态模拟[J]. 现代制造工程, 2007(6): 116-118.

[4] 齐利君, 门文强. 基于LIUENT的液压齿轮泵二维流场性能研究[J]. 黑龙江科技信息, 2011(11): 47-48.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/enco.html