凸轮转子泵三维仿真深入研究

2013/12/17 10:02:57      点击:

以凸轮转子泵为主要研究对象,对凸轮转子泵的结构及工作原理进行了深入的分析,运用理论分析以及计算流体动力学中的SIMPLEC与PISO算法、旋转参考系模型,动网格更新方法、用户自定义函数对凸轮转子泵出口流量脉动、内部湍流流动进行了较为深入的数值分析,并与试验数据进行了对比,验证了仿真结果的准确性。通过三维仿真与二维仿真较为完整的展示了凸轮转子泵内部流场的情况,通过流场分析,得出了如下结论:
(1)凸轮转子泵的数值模拟结果与实验结果比较,结论一致。三维数值模拟得到的流量与实际流量对比误差为3.38%,采用动网格的二维数值模拟得到的流量与实际流量对比误差为1.9,均小于4%,验证了数值模拟的可行性,并且采用动网格方法仿真精度高。
(2)-维模拟可以得到轴向流场的状况。间隙部分压力状况很复杂,从间隙中间往两侧压力成增大趋势,在间隙中间存在着不连续的低压区,并且由于两转子在角度上不对称,各间隙处于不同位置,所以各间隙的压力分布状况不同,并且处于变化之中;凸轮转子泵旋转部分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,在叶轮顶端静压最小,这与其他旋转机械静压从叶片根部到顶端一直增大的分布情况有所不同;进出口部分存在涡流及高温区。
(3)采用动网格方法模拟可以得到不同时刻的流场状况。对空冷转子泵,基元容积与出口刚开始接触时有很大的回流速度;连通后出口侧的高压液体在基元容积内形成明显的大尺度的涡旋;脉动最大时受到回流冲击的基圆容积内的压强在升高,但没有达到出口压力,基元容积内的压强变化很剧烈;出口流量最大时两转子之间靠近出口的压强比出口压力都大,转子啮合处,两侧压差较大,超过了进、出口升压值叶轮啮合部分两侧压差大于转子泵压升;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。
(4)凸轮转子泵内部流场存在小脉动。转子转到一定位置时,液体速度的方向并不是按照理论推导的那样(液体直接排出),它与垂直方向有一个倾斜角,导致了涡的产生以及流量的下降。正是由于涡的存在,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,而不像理论分析的那样液体以比较平缓的流量流出出口。
使用商用软件进行区域划分以及边界条件的定义,接着进行数值模拟并进行了后处理分析,最后通过将模拟结果与已有文献数据、试验数据数值模拟结果进行对比验证。
但我们应该认识到通用性再强的商业软件也不可能解决所有的实际问题。这是由于现有理论对凸轮转子泵内流场理解得不全面,实际现象过于复杂,在建立模型时常常不得不引入某些简化假设。加上所获得数据的不精确性以及模型在空间或时间上的放大或缩小,都会使模型和原型之问必然存在着近似性。
因此,下一步的工作应该从以下几方面展开:
(1)提高仿真精度。进一步修正模型,在对部分结构做近似处理时尽量使模型接近实际情况,并且改善模型使之能够仿真出端面间隙的流场情况;在提高计算条件的基础上划分更为合理的网格,对三维仿真采用动网格方法,并且实时的更新cellheight等计算参数。
(2)改变凸轮转子泵的几何结构,例如叶轮形状,出口形状,间隙的大小等,以研究这些结构对凸轮转子泵性能的影响,并作定性分析;加入预进液部分,并改变预进液口位置、大小、形状,研究预进液对减小出口脉动的作用。
(3)今后在模拟凸轮转子泵内流场的同时,可以结合J转子泵的噪声特性进行研究。
(4)进一步结合试验数据,对凸轮转子泵内流场进行更加深入的研究。


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