滾柱泵U型槽內(nèi)流場(chǎng)分析

， ， 　(.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 九江　33007； .南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 南昌　33003)

引言

滾柱泵是一種新型容積式液壓泵其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，卻能夠在高壓下實(shí)現(xiàn)大排量[1]。滾柱泵采用無(wú)配流軸的端面配流方式，其中側(cè)面排液，端面吸液，更加簡(jiǎn)化了泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了泵的可靠性[2]。

由于滾柱的直徑要略小于U型槽的開(kāi)口，用以保證柱塞腔與葉片腔通過(guò)一個(gè)間隙連通在一起，如圖1所示。在該滾柱泵排液的過(guò)程中， 兩個(gè)腔的液體可以同時(shí)通過(guò)側(cè)面開(kāi)槽連通，共同從側(cè)面的開(kāi)口排除。而間隙的大小直接影響滾柱泵排液時(shí)的壓力及速度變化，所以本研究通過(guò)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的仿真軟件Fluent，利用動(dòng)網(wǎng)格和UDF編程對(duì)滾柱在U型槽中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體狀況[3，4]，分析槽內(nèi)液體的壓強(qiáng)和速度的分布與變化規(guī)律。

圖1　滾柱泵容積示意圖

1　建立計(jì)算模型

1.1　幾何模型的簡(jiǎn)化

由于滾柱泵的截面厚度都是相同的，所以可以把復(fù)雜的三維模型簡(jiǎn)化成較為簡(jiǎn)單的二維模型，同時(shí)由于各個(gè)槽中滾柱運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)是相同的，所以只需要仿真分析其中一個(gè)槽的滾柱運(yùn)動(dòng)就可以。因?yàn)閷?shí)際情況中U型槽的開(kāi)口不利于設(shè)定出口條件，所以在模型中延長(zhǎng)U型槽的兩側(cè)擋板長(zhǎng)度，可以完整的包容滾柱在槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)。最后根據(jù)簡(jiǎn)化的情況，通過(guò)Gambit軟件對(duì)滾柱的運(yùn)動(dòng)建立二維幾何模型。

1.2　邊界條件的設(shè)定

根據(jù)模型仿真的運(yùn)動(dòng)條件，對(duì)模型的各個(gè)邊界設(shè)定邊界條件。U型槽的右邊可設(shè)為出口，且由于滾柱處在壓液階段，故該出口的邊界條件可以設(shè)為壓力出口(pressure-outlet)。其余的邊界都可以設(shè)為壁面(wall),詳細(xì)邊界如圖2所示。

圖2　模型邊界邊界條件

out——出口：壓力出口(pressure-outlet)；

deform1——變形邊界：壁面(wall)；

deform2——變形邊界：壁面(wall)；

roller——運(yùn)動(dòng)剛體：壁面(wall)；

wall——封閉口：壁面(wall)；

slid_wall——側(cè)方壁面：壁面(wall)。

2　動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置

要使用動(dòng)網(wǎng)格功能，就要使用UFD功能進(jìn)行編程，利用Fluent提供的C語(yǔ)言二次編程的接口調(diào)用C編程的文件，對(duì)滾柱在U型槽中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)Complied載入U(xiǎn)DF的編程文件，編譯、裝載后，就可以在動(dòng)網(wǎng)格的設(shè)定中選用該運(yùn)動(dòng)函數(shù)。

該滾柱運(yùn)動(dòng)的速度公式為：

(1)

載入包含該運(yùn)動(dòng)公式的程序后就可以對(duì)動(dòng)網(wǎng)格的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在網(wǎng)格模式Mesh Methods中要選用Smothing和Remeshing兩種網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)變形模式[5,6]。因?yàn)樵趧?dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)變形的過(guò)程中，由于網(wǎng)格的質(zhì)量不夠高，網(wǎng)格的變化容易出現(xiàn)負(fù)體積等錯(cuò)誤現(xiàn)象，所以一般選用兩種變化模式可以避免該錯(cuò)誤的發(fā)生。

如果在動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)當(dāng)中還出現(xiàn)負(fù)體積的錯(cuò)誤現(xiàn)象，可以通過(guò)改變兩種方式的參數(shù)設(shè)置來(lái)調(diào)整網(wǎng)格的變形。

動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的設(shè)定主要有三個(gè)，其中邊界deform1和deform2設(shè)為Deforming變形區(qū)域；邊界roller設(shè)為Rigid Body 剛體。圖3為滾柱運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)網(wǎng)格的變化情況。

圖3　模型動(dòng)網(wǎng)格的變化

從圖中網(wǎng)格的變化可以看出，U型槽里面的網(wǎng)格受到滾柱移動(dòng)的擠壓，造成網(wǎng)格變得密集，且密集集中的部位在滾柱的附近；而U型槽外部的網(wǎng)格收到滾柱的拉伸，密集的網(wǎng)格分散開(kāi)來(lái)，尤其是在滾柱右側(cè)的網(wǎng)格變得稀疏了。但這種變形還在網(wǎng)格的承受范圍內(nèi)，說(shuō)明網(wǎng)格的質(zhì)量達(dá)到了完成此次流場(chǎng)特性分析的要求。

3　計(jì)算結(jié)果的分析

滾柱泵在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液體的運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜的，其流速以及壓力都隨著泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾柱的往復(fù)運(yùn)動(dòng)不斷變化。所以通過(guò)流體仿真分析出滾柱做壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)液體速度及壓力的變化。

3.1　壓力分布分析

滾柱在往U型槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，U型槽的水受到滾柱的擠壓，壓強(qiáng)必然上升；而U型槽出口部分的水受到外界環(huán)境壓力為20 MPa，靠近滾柱部分壓強(qiáng)受滾柱運(yùn)動(dòng)影響而降低。圖4中描述了滾柱運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)不同運(yùn)動(dòng)階段時(shí)的壓強(qiáng)分布的變化情況。

可以明確看出在運(yùn)動(dòng)初期滾柱運(yùn)動(dòng)速度在上升期間，U型槽內(nèi)壓強(qiáng)增加，而滾柱與U型槽接觸的位置處壓強(qiáng)最高，圖4a中此處壓強(qiáng)可達(dá)21.4 MPa；運(yùn)動(dòng)中期滾柱的運(yùn)動(dòng)速度到達(dá)較高的位置，圖4b中此處壓強(qiáng)為21.5 MPa；運(yùn)動(dòng)末期滾柱運(yùn)動(dòng)速度不斷降低，圖4c中此處壓強(qiáng)為21.2 MPa。

在滾柱與U型槽的間隙處可以看出，其中的壓強(qiáng)隨著滾柱的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越低，剛起步時(shí)此處壓強(qiáng)還是高于外界壓強(qiáng)的，當(dāng)滾柱不斷向內(nèi)壓入，此處壓強(qiáng)變?yōu)檎麄€(gè)流域壓強(qiáng)的最低處。

U型槽開(kāi)口處在滾柱剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓強(qiáng)有下降的趨勢(shì)，尤其是靠近滾柱與U型槽接觸點(diǎn)的區(qū)域。此處受到滾柱運(yùn)動(dòng)，造成體積瞬時(shí)增加，壓強(qiáng)降低，圖4a中此處壓強(qiáng)為19.9 MPa。之后，外界的水充分補(bǔ)充了增大的體積，圖4b與圖4c中此處壓強(qiáng)為20 MPa與環(huán)境壓強(qiáng)相同。

圖4　壓強(qiáng)分布變化

3.2　速度矢量分布分析

U型槽內(nèi)受到滾柱的擠壓， U型槽內(nèi)部體積減小，壓強(qiáng)上升，液體必然通過(guò)間隙流向外部，外部體積增大，壓強(qiáng)略降，出口出必然有部分從外部流入。

圖5a中，滾柱運(yùn)動(dòng)起步階段，U型槽內(nèi)部液體有明顯向外流的速度趨勢(shì)，且速度在滾柱與U型槽間隙處達(dá)到最大,此處的速度大小達(dá)到4.36 mm/s；而滾柱與U型槽接觸處也有液體流動(dòng)，不過(guò)流速都不高，基本是隨著滾柱的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。外部逆流的速度最大可以高大7.18 mm/s，主要集中在滾柱與U型槽接觸的位置附近。

圖5b中，滾柱運(yùn)動(dòng)了一段時(shí)間，其運(yùn)動(dòng)速度也比較高，此時(shí)U型槽內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)也得到加快，尤其是在滾柱與U型槽間隙處速度矢量明顯增大。此處的速度大小為23.5 mm/s，而滾柱與U型槽的接觸點(diǎn)附近液體速度變化不明顯，但方向依舊與圖5a相同。

圖5c中，滾柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到接近后期，其運(yùn)動(dòng)速度繼續(xù)提升，此時(shí)U型槽內(nèi)液體從間隙處出去后直接流向出口處，不用補(bǔ)充滾柱外U型槽擴(kuò)充的體積。

圖5　速度矢量分布變化

三個(gè)速度矢量分布圖中在出口處都有一部分負(fù)的速度矢量，那是由于在設(shè)定的出口處出現(xiàn)了回流。當(dāng)滾柱向內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，增加的體積來(lái)不及從擠壓出的液體處得到補(bǔ)充，所以從出口處引入了部分液體，而擠壓出來(lái)的液體則直接流向該壓力出口。

3.3　間隙不同的對(duì)比分析

前面流場(chǎng)分析中滾柱的直徑為29 mm，U型槽的直徑為30 mm。為了分析滾柱與U型槽間隙的大小對(duì)滾柱運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)特性的影響，再對(duì)一個(gè)間隙大一點(diǎn)的模型進(jìn)行流場(chǎng)特性分析，用于對(duì)比研究滾柱直徑的大小對(duì)雙作用橢圓軌道滾柱泵流場(chǎng)特性的影響。

故取滾柱半徑為14 mm，可得到網(wǎng)格模型。

通過(guò)與之間相同參數(shù)程序的設(shè)置，同樣獲得在t=0.0060 s 時(shí)的壓強(qiáng)分布與速度矢量分布，如圖6所示。

圖6　間隙增大后壓強(qiáng)速度分布

圖6a中壓強(qiáng)分布與之前滾柱半徑取29 mm時(shí)的分布類似，但其壓強(qiáng)在各個(gè)階段的變化趨勢(shì)變緩，變化的值也減小了；滾柱與U型槽接觸處的內(nèi)部區(qū)域壓強(qiáng)比同一運(yùn)動(dòng)時(shí)期間隙大的壓強(qiáng)要低一些，此處壓強(qiáng)值為2.04 MPa；而滾柱與U型槽間隙處的壓強(qiáng)要高一點(diǎn)，此處壓強(qiáng)值為18.3 MPa?？芍邏簠^(qū)的面積明顯有所減少，壓強(qiáng)漸變區(qū)域增大使得壓強(qiáng)的變化更加平穩(wěn)了。這些變化都是由于排水的間隙增大，導(dǎo)致滾柱對(duì)U型槽內(nèi)液體擠壓力減小的緣故。

圖6b中速度矢量的分布基本狀態(tài)與之前的流場(chǎng)仿真相同， 同樣在間隙處的流速要明顯低于之前的仿真圖形，此時(shí)間隙處的流速為17.7 mm/s。而在出口處，出現(xiàn)了小面積的負(fù)速度矢量，這恰恰證明了由于間隙的增大，擠壓出來(lái)的液體可以直接補(bǔ)充U型槽外部增大的體積，只有少部分通過(guò)從出口吸入補(bǔ)充。

4　結(jié)論

(1) 通過(guò)U型槽內(nèi)滾柱運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)特性研究表明U型槽內(nèi)液體壓強(qiáng)上升并朝著滾柱與U型槽的間隙處流動(dòng)，水的流速在間隙處達(dá)到最高后向出口流出，流速則不斷降低，出口處還出現(xiàn)逆流現(xiàn)象；

(2) 滾柱半徑越大，滾柱與U型槽之間的間隙就越小。在滾柱運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，U型槽內(nèi)壓力上升，并隨著滾柱半徑的增大而增大，間隙處的壓力隨著滾柱半徑的增大而減小；

(3) U型槽內(nèi)液體受到運(yùn)動(dòng)中的滾柱擠壓，通過(guò)間隙處流向U型槽出口處。在滾柱的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，間隙處的流速達(dá)到最高，并隨著滾柱半徑的增大而加快，而出口處出現(xiàn)負(fù)的速度矢量面積也隨著滾柱半徑的增大而增加。

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