關于外齒輪泵流動仿真的本科生研究項目的探索與實踐*

黃 思，康文明，林詩峰，馬驍夫

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640）

0 前言

為培養(yǎng)高素質(zhì)、“三創(chuàng)型（創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)）”人才，切實提高本科生的綜合素質(zhì)，華南理工大學為本科生開設了“學生研究項目”（Stu?dent Research Program，SRP），旨在鼓勵本科生參與探索性的研究工作，獲得科學研究的訓練和技能，從而達到拓展創(chuàng)新能力的目的[1-5]。

齒輪泵是一種應用廣泛的液壓機械，結(jié)構(gòu)上分為外嚙合和內(nèi)嚙合形式，其中以外嚙合齒輪泵應用較廣[6]。齒輪泵的工作原理是當齒輪旋轉(zhuǎn)時，兩個齒輪的嚙合點發(fā)生變化，吸油腔工作容積增大，形成部分真空產(chǎn)生吸油作用；另外在壓油腔中，由于齒輪逐漸嚙合，其工作容積減小，向壓力管路產(chǎn)生壓油作用。由于齒輪泵是旋轉(zhuǎn)機械，其結(jié)構(gòu)是封閉的且僅有很小的嚙合間隙（一般0.13～0.17 mm），現(xiàn)有條件下無法觀測到齒輪泵內(nèi)的流動狀況。因此，開展“外齒輪泵內(nèi)流場仿真計算及動畫制作”的SRP項目研究，指導學生使用流動軟件模擬計算齒輪泵內(nèi)的瞬態(tài)流場并制作教學動畫課件，使學生能直觀地了解齒輪泵的工作原理和性能變化規(guī)律，同時也是對過程控制專業(yè)必修課“過程流體機械”教學手段的補充與完善。

1 項目實施過程與方法

學生根據(jù)個人的興趣愛好申請參加指導教師擬定的SRP項目，指導教師從中選拔出具備一定機械設計和CAD建模基礎的學生加入到項目組。項目啟動后，指導教師首先幫助學生理解項目的任務和內(nèi)容；引導學生查閱有關文獻資料，使學生掌握齒輪泵的工作原理，掌握完成項目所需的流動計算方法和技能；最后是根據(jù)學生的基礎和能力，安排項目的具體分工，制訂各自的目標和工作內(nèi)容。整個SRP項目的內(nèi)容和階段步驟見表1。

表1 項目計劃安排

2 項目實施的主要結(jié)果

2.1 流動計算域模型的建立

齒輪泵的設計參數(shù)具體見表2。齒輪泵流動計算域建模采用GearTrax軟件畫出標準的漸開線外齒輪，導入到Solidworks軟件中生成并組裝成一對嚙合的齒輪。在軟件中對齒輪固體區(qū)域運用布爾運算得到流體計算域模型，如圖1所示。

表2 齒輪泵的設計參數(shù)

圖1 外齒輪泵流體計算域

2.2 計算域的網(wǎng)格劃分

將流體計算域模型導入到流動計算軟件中，采用軟件網(wǎng)格劃分模塊對流體計算域進行網(wǎng)格劃分[7]，得到如圖2所示的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元。

圖2 外齒輪泵結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

2.3 流場仿真計算

流體介質(zhì)為煤油（25℃），模擬計算采用湍流、空化流動模型；進口邊界條件設置靜壓為1 atm，出口靜壓為5 atm。齒輪轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，模擬計算的泵旋轉(zhuǎn)時間為4周。

仿真計算得到的齒輪泵出口質(zhì)量流量曲線如圖3所示。由圖可知，在經(jīng)歷了一段過渡時間后，外齒輪泵的出口流量隨時間開始作穩(wěn)定的諧波變化，流動進入正常工作狀態(tài)。指導教師借助該計算結(jié)果使學生們了解到齒輪泵的流動是不穩(wěn)定的，由此進一步引導學生通過改變齒輪泵的尺寸、齒數(shù)、模數(shù)及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，探索減小齒輪泵流量脈動的有關措施[8-9]。

圖3 泵出口流量隨時間變化曲線

2.4 后處理與動畫制作

通過對計算結(jié)果進行后處理，學生們可以直觀地看到齒輪泵內(nèi)的壓力（圖4）和流速矢量（圖5）。計算結(jié)果顯示由泵入口到出口的壓力值逐漸增大，每個腔室內(nèi)的壓力值較為均勻，不同腔室的壓差比較明顯。兩齒輪嚙合的地方是壓差最大的位置，該處的介質(zhì)在壓差驅(qū)動下泄漏速度達到15 m/s左右。教師指導學生如何從計算結(jié)果文件中直接讀取齒輪泵的流量、功率以及扭矩等參數(shù)，使學生應用所學的知識進一步計算出齒輪泵的效率并繪制出齒輪泵的特性曲線，提高了對齒輪泵的理論認識。

圖4 中心截面壓力分布

圖5 中心截面速度矢量

為更生動形象的展現(xiàn)齒輪泵內(nèi)的流場規(guī)律，在教師的引導下，學生們使用視頻編輯軟件顯示一個周期內(nèi)不同時刻的計算結(jié)果（如圖6），并將這些結(jié)果圖像（幀）串聯(lián)制成用于教學的動畫課件。

圖6 不同時刻縱截面流線分布

3 結(jié)論

本文介紹了“外齒輪泵內(nèi)流場仿真計算及動畫制作”的本科生研究項目的實施方法、實施過程和主要結(jié)果。在該SRP項目中，通過教師的引導學習和實踐，學生們完成了齒輪泵計算域的建模、網(wǎng)格劃分、仿真計算和后處理，分析了齒輪泵內(nèi)部壓力、流速分布和泵性能，制作了有關的教學動畫課件。

經(jīng)過SRP項目實踐，本科生在接受專業(yè)課教育的同時，有機會參與探索性的研究課題，在一定程度上加深了對課程所學知識的理解與應用。同時，SRP項目對于提高本科生分析問題和解決問題的能力大有裨益，可以充分調(diào)動學生在學習中的主觀能動性，提高收集信息、查閱資料和解決問題的能力。

參考文獻：

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