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凸轮泵内部流场数值模拟概述

2013/11/29 19:33:34      点击:
凸轮泵用于食品饮料、制药、化工、污水处理等工业领域,由于泵送中容积的变化,它一直存在回流冲击、内泄漏、压力脉动和流量脉动等不足,它的流动具有明显的旋涡、温升等现象,以前很难用理论进行计算和分析。
随着计算机的发展,计算流体动力学(CFD)仿真开始应用于凸轮转子泵的设计和流场分析中,CFD仿真可以提高设计质量、缩短研发时间以及避免新设计带来的风险。
凸轮泵的结构及工作原理进行了深入的分析,罗茨风机的特点与性能,常用经验计算公式;在此基础上,使用商用软件对凸轮转子泵进行了三维及二维动网格仿真。
在三维仿真计算过程中,使用了K-W双方程模型、二阶迎风格式和SIMPLEC算法,在近壁区速度及温度的计算中采用标准壁面函数法,得到了截面及轴向流场的情况。仿真结果显示:在压力面和吸力面,静压从叶片根部到顶端的大部分范围内逐渐增大,但在靠近顶端的很小的范围内,静压沿远离叶片根部的方向又迅速减小,间隙部分压力状况很复杂,在间隙中间存在着不连续的低压区,各间隙的压力分布状况不同;进出口部分存在旋涡。
针对凸轮转子泵内流场的时变特性,在旋转部分采用弹簧光滑模型以及局部重新划分的方法,对凸轮转子泵内流场进行了二维动网格仿真,得到了不同时刻的流场状况。经数据分析得到:流场内存在旋涡,并且处于不断变化之中;由于涡的存在,使得出口流量失去稳定,在数值模拟中出现了一个明显的小脉动现象;
通过不同转角位置的速度矢量图、压力等值线图详细展现了理论分析所不能给出的液流脉动流动现象。

通过将数值仿真结果与实验数据及有关文献数据对比表明:三维数值仿真得到的出口流量为1.4594815kg/s,二维动网格得到的出口流量为1.507854kg/s,实际流量为1.510833kg/s,仿真结果合理,主要的流动现象与相关文献一致。三维仿真与动网格二维仿真相结合,可以更全面地了解凸轮转子泵内部流场情况。


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