外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析

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基于Fluent的齿轮泵内部流场动态模拟

基于Fluent的齿轮泵内部流场动态模拟XXX（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX）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 FluentXXX(XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX)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 simulation1 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。

外啮合微小齿轮泵流场模拟分析与优化

外啮合微小齿轮泵流场模拟分析与优化吴晓;黎志杰【摘要】为了揭示微小齿轮泵的几何参数与其工作性能之间的关系,利用Fluent 动网格技术,对汽车尾气处理装置中微小齿轮泵进行二维数值模拟分析,探究顶隙、齿轮齿数等几何参数对微小齿轮泵流量和精度的影响规律.结果表明,在其他条件相同时,随着顶隙增大,平均流量逐渐变小,流量脉动率逐渐增大,顶隙由0.02 mm变化为0.3 mm时,平均流量减小约33％,流量脉动率增大约18％,精度降低;随着齿轮齿数增大,流量和流量脉动率均减小,齿轮齿数由14增大到28时,平均流量减小约54％,流量脉动率减小约95％,精度逐渐提高,齿轮齿数对流量脉动率的影响幅度明显高于对流量的影响效果.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】5页(P50-54)【关键词】微小齿轮泵;Fluent;模拟;流量脉动率;流量【作者】吴晓;黎志杰【作者单位】武汉纺织大学湖北省数字化纺织装备重点实验室,湖北武汉430200;武汉纺织大学三维纺织湖北省工程研究中心,湖北武汉430200【正文语种】中文【中图分类】TH137;TH325引言汽车尾气排放物，不仅对环境造成严重污染，而且对人体健康也有着重大危害[1-2]。

某企业就此研制了一款汽车尾气处理装置，其核心装置就是微小型齿轮泵，具有高精度、低噪音的特点。

目前，国内外对齿轮泵的优化已经进行了大量研究，主要涉及困油性能[3-4]、轻量化[5]、齿轮线形[6]、脉动特性[7]等，但关于毫米级低压微小型齿轮泵优化设计的研究罕有报道。

因此本研究依托企业项目，利用Ansys Fluent软件，动网格模型，对特定微小低压齿轮泵内流场进行了数值仿真模拟，着重分析相同条件下齿轮泵顶隙和齿轮齿数对流量与精度的影响，为该特定微小型低压齿轮泵的优化设计提供理论参考。

流量脉动率是指齿轮泵瞬时流量的最大和最小值之差与平均流量的比值，是衡量齿轮泵精度、平稳性的重要指标[8]。

齿轮泵研究与仿真研究设计和实现论文设计

1 绪论现如今，全球信息化时代已经来临，热衷于设计齿轮油泵的工作者，逐步倾向于借助以CAD为主的多样化计算机技术，针对现有产品进行更深层次的研发与设计，从而有效增强当前的设计速度，尽可能缩短设计周期。

尤其在生产化制造过程中，以CAM为主的各类制造技术业，已经获得相对广泛的实际应用。

对于齿轮泵而言，其所需的不仅仅为外在特性，而且还表现出一系列的内在要求。

其中，其内在特性主要涵盖产品性能以及整机装配质量等相关特性，与此同时，其外在特性一般表现为泵的运行特征。

1.1 齿轮泵的研究意义对于工业领域而言，尤为关键的核心装置即为齿轮泵，其广泛应用于液压传动以及相应的控制技术当中。

从本质上而言，其表现出相对简洁的基本结构，并且体积和重量都极为轻便，清洁度高，表现出相对良好的可靠性，后期维护相对便利，无需耗费高昂的经济成本。

然而，对于齿轮泵而言，其同样表现出某些劣势，例如：频繁困油、流量较大、泄漏显著以及频频出现气穴等一系列劣势，正是由于上述现象和特性的存在，将对齿轮泵呈现出的实际质量，产生极为深远的影响。

在当前时期，由于齿轮泵广泛应用于高温、高排量以及低噪音等环境下，故而诸多学者纷纷针对齿轮泵所含有的基本特性，进行相对深入的细致研究，以求尽可能保障齿轮泵在实际运行过程中的安全性和高效性。

对于现今的齿轮泵来说，尤为典型的即为外啮合齿轮泵，此类泵的设计水平也极为成熟。

在绝大多数外啮合齿轮泵当中，主要选择三片式结构，并且借助于平槽的作用，尽可能降低齿轮所产生的径向不平衡力。

近年来，此类泵所能达到的额定压力最高为25 MPa。

然而，因为此类齿轮泵一般表现出相对较少的齿数，故而造成流量脉动相对显著，其也因此获得相对广泛的实际应用，引发学术界的研究热潮。

现如今，全球学者在此方面进行的细致研究大体如下：各种类型齿轮参数的持续优化；齿轮泵的补偿技术；一系列卸荷措施；噪声控制技术的研发；齿轮泵所涉及的诸多变量方法的深入研究；齿轮泵高压化的基础途径等等。

基于FLUENT的外啮合齿轮泵内部流场数值分析

的齿轮泵比渐开线齿轮泵的出口平均速度更大。
［关键词］外啮合齿轮泵；内部流场；动网格；数值模拟
［中图分类号］ＴＨ３２５［文献标志码］Ａ［文章编号］１６７３—１４０９（２０１３）０４ —００６６ —０４
流场分析。结果表明，在２个齿轮啮合处，流体的压力周期性变化，并在相邻的啮合齿对间有显著的困油现象；在齿轮泵工作达到稳定状态后，径向间隙越大，出口处的平均速度就越大。此外，双圆弧齿形
长江大学学报（自科版）２０１３年２月号理工上旬刊第１０卷第４期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔＳｃｉＥｄｉｔ）Ｆｅｂ．２０１３，Ｖｏ１．１０Ｎｏ．４
部流场进行数值分析，以便为泵结构的优化及新齿轮泵的设计提供参考。
１外啮合齿轮泵内部流场的计算
１．１物理模型
以某一型号的外啮合齿轮泵为例进行分析，该型号齿轮泵齿数较少，可以更好地体现其内部流场的相关特性。绘制模数为３、齿数为１Ｏ、压力角为２４。及齿轮中心距为３３ｍｍ的２个啮合齿轮，其径向间距为ｌｍｍ的外啮合齿轮泵轮廓。将绘制的外啮合齿轮泵模型导入ＧＡＭＢＩＴ（网格划分软件）中，通过布尔减运算得到计算区域，设置成三角形单元格类型，确定划分网格面的尺寸为０．２ｍｍ，共划分５６１３２个网格。

基于Fluent的外啮合齿轮泵内部流场仿真计算

flow field characteristics of the gear pump are solved in Fluent, and the theoretical calculation results are in agreement with
each other to verify the correctness of the theoretical calculation. The results show that the maximum static pressure appears
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
基于Fluent的外啮合齿轮泵内部流场仿真计算
聂瑞，潘福星，郭伟（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230000）
摘要：建立了CB-B63系列外啮合齿轮泵内部流场的CFD模型，在Fluent中求解出了齿轮泵的内部流场特性，与理论计算
结果较吻合，验证了理论计算的正确性。得出了内部流量的压力分布云图，结果表明，最大静压出现在轮齿的啮合点附近，与
optimization of the gear pump.
Keywords: gear pump; internal flow field; CFD model; simulation calculation
0引言齿轮泵是三大液压泵（齿轮泵、柱塞泵、叶片泵）的一
种，历史最悠久。齿轮泵的主要特点是结构简单，制造方便，维修容易，工艺性好，价格低廉，体积小，重量轻。其主要缺点是流量和压力脉动大，噪声较大，存在径向不平衡力，效率低，被广泛地应用于机械制造、汽车、航空航天等行业[6]。
near the meshing point of the gear, which is in accordance with the actual engineering. The hydrodynamic characteristics of

外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析

外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析作者：杨森来源：《中国化工贸易·下旬刊》2017年第02期摘要：采用fluent动网格计算模型，通过变化径向间隙，对外啮合齿轮泵进行内部流场分析。

结果表明，在两个齿轮啮合处，流体的压力周期性变化，并在相邻的啮合齿对间有显著的困油现象；在齿轮泵工作达到稳定状态后，径向间隙越大（小），出口处的平均速度就越大（小），进口处的的压力差就越大（小）；进口处的压力与径向间距呈现行正比关系。

关键词：外啮合齿轮泵；内部流场；动网格；数值模拟齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵，是液压传动中广泛应用的一种油泵，其具有结构简单、工艺性好，成本较低等优点。

外啮合齿轮泵的内部流场较为复杂，而齿轮泵的内部动态模拟有助于真实地反映其内部的变化，本文采用动网格技术模拟外啮合齿轮泵的转动过程中的动态流动，为泵结构的优化及新齿轮泵的设计提供参考。

1 外啮合齿轮泵内部流场的计算1.1 物理模型以某一型号的外啮合齿轮泵为例进行分析，该型号齿轮泵齿数较少，但可以更好地体现出其内部流场的相关特性。

绘制模数为3，齿数为10，压力角为24°及齿轮中心距为33mm的两个啮合齿轮，其径向间距为1mm的外啮合齿轮泵轮廓。

将绘制的外啮合齿轮泵模型导入GAMBIT中，通过布尔减运算得到计算区域，设置成三角形单元格类型，确定划分网格面的尺寸为0.2，共划分56132个网格。

1.2 流动控制方程1.2.1 质量守恒方程式中：分别为x、y、z、3个方向上的速度分量，m/s；t为时间，s；ρ为流体密度，kg/m31.2.2 动量守恒方程式中：分别为x、y、z3个方向的单位质量力，m/s2；μ为动力粘度，Pa·s；p为流体微元体上的压强。

1.3 湍流模型标准k-ε双方程模型式中：Gk为由平均速度梯度引起的湍动能；Gb为浮力影响引起的湍动能；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；C1ε、C2ε、C3ε、C2、A0为经验常数，在Fluent中默认数值为C1ε=1.4，C2ε=1.9，C3ε=0.09，C2=0.9，A0=4.0；湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为。

外啮合齿轮泵内泄漏理论模型的建立及参数优化

摘要 : 以 CBZb2系列齿轮泵为研究对象 , 建立内泄漏的理论模型 ; 在容积效率试验结果的基础上 , 对所建立的理论模型经复合形法参数寻优而得优化数学模型。针对两模型编写仿真程序和参数优化程序 , 同时对两模型精度进行评价 , 指出各自的适用范围。
关键词 : 齿轮泵 ; 内泄漏 ; 理论模型 ; 优化模型中图分类号 : TH325 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2007) 10 - 108 - 3
p = 25M Pa, n = 2 500 r/m in
CB Zb2040
p = 25M Pa, n = 2 500 r/m in
CB Zb2050
p = 25M Pa, n = 2 250 r/m in
CB Zb2063
p = 20M Pa, n = 2 250 r/m in
CB Zb2080
来 , 中高压和高压齿轮泵得不到普及与发展 , 重要原
因之一是高压泄漏得不到根治。因此 , 对外啮合齿轮
泵内泄漏的分析及控制是一项具有实际意义的急待解
决的问题。
1 内泄漏理论模型的建立
111 齿轮泵的容积损失 ΔQ 外啮合齿轮泵的内泄漏 ΔQ 主要由以下四部分组
成 : ( 1) 齿轮端面间隙 (即轴向间隙 ) 的泄漏 ΔQs;
D np A p2 + B p + C - Fnδ (m3 / s) Et p + E
式中 : M = 01205 ×πeαργ- 50λ ( s /m2 ) ; 50
N
=
B
α
e
-
50λ
6S
ργ
e 50
(m
/
kg·s)

流场仿真与分析

流场仿真与分析24引言H前，齿轮泵以苴结构简单、成木低.对介质务染不敏感等特点.在工业中应用卜分广泛.撼相关统计掘抑显可陟齿轮泵的市场占有率在乃％以上.水压技术楚近几年米液压传动领域新兴的研究方向.llii『国际市场上只有水压柱塞乗，向齿轮亲和叶片泵均无可工业应用的产品.由于以水作为传动介质所具有的独特的”稣色”特件•能謫足人们可持续发展的需耍，而且还曲今后的殺压技术发展提供了方向―本章主要内容：(1)介紹了流场仿貞牧件ADINA以及针帖本模型的询处理过屈：(?)利用流场仃限元技术仿真了水压外啮令齿轮泵内部的流场，得出其流场压力分布和速度矢3分布,并据此分析B流和素流的计S结果、水压流场的流态、讣算從向力的范I乐总结流呈一压力特性和容积效率.2.2 ADINA软件介绍及其分析过程2.2.1 ADINA软件介绍ADINA System楚由矣国席许理匚学说K. J Bathe枚授领导的ADINA R&D公id研究幵发的|商用I .榨炊件•其产品包括ADINA. ADJNA^T和ADINA-F.足儿仃跨平台的WINDOWS NT/95/P8/me/2000/XP/Lmux/UNIX 的结构和流休流动分析问题体化解决方案——仝集成ADINA 坏境㈣‘ADINA相对F其他有阪兀软件有其究出特」ADINA System是-个个卑成系统，能册爲成结卜;吓I流体流动分析・分析效率非常高.能够有效地垮虑非线性效应如儿何非线性.材料非线性和接触状态等*茁于流1*能够计算可压缩和不诃爪缩流动・具育流体一結构个耦联分析功能听仃分析解算揆块便用统一的前厉处理ADINA4N和ADINA-PLOT. 川户界血ADINA User Interface (AU I)易学绘用。

儿何实体既可以在ADINA-IN内创建,也可以从其他CAD程序中输入,如Pro/ENGINEER 和基]■ Parasolid 内核的其他CAD 系统(如Uni graphics 和Solid Works),材料性能、物理性能、载荷和边界条件可以厲接在儿何模熨I: I fl i施加，模型离散化前町以完成全部描述数据输入。

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ＡｂｓＷａ￣：Ｔｏｃａｔｃｈｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｌｆｕｉｄｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｇｅａｒｐｕｍｐｉｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒｏｔａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆａｃｔｕａｌｇｅａｒｐｕｍｐｍｏｄｅｌｗａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ＵｓｉｎｇｔｈｅｍｏｖｉｎｇｇｒｉｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅＦＬＵＥＮＴ，ｔｈｅｔｗｏ — ｄｉｍｅｎ — ｓｉｏｎｌａｉｎｔｅｒｎａｌｌｕｆｉｄｉｆｅｌｄｏｆｔｈｅｇｅａｒｐｕｍｐｗａｓｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｉｎｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｉｆｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｎｏｒｍａｌｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｇｅａｒｐｕｍｐｗｅｒｅｇｏｔｔｅｎ．Ｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｄｅｘｐｏｔｒｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｆｏｗｒａｔｅｓｗｅｒｅｇａｉｎｅｄｗｈｉｃｈｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ
ｃｒｅａｓｅｄｔｏｔｈｅｄｏｚｅｎｓｏｆｔｉｍｅｓｆｏｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｏｉｌｉｓｅｘｔｒｕｄｅｄａｔａｈｉｇｈｓｐｅｅｄｆｒｏｍｔｈｅｂｏｔｈｓｉｄｅｏｆｔｈｅｇｅａｒｓ，ａｎｄｉｓｌｅａｋｅｄｆｒｏｍｔｈｅｒａｄｉａｌｃｌｅａｒａｎｃｅ．Ｔｈｅｓｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｅ￣ｅｎａｒｌｇｅａｒｐｕｍｐ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｔｅｒｎａｌｇｅａｒｐｕｍｐ；Ｍｏｖｉｎｇｇｉｒｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｔｒａｐｐｅｄｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｉｎｔｅｎａｒｌｌｆｏｗｉｆｅｌｄ
中图分类号：ＴＨ１３７．５１文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３８８１（２０１３）２３—１３４— ４
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅＦｌｏｗＦｉｅｌｄＩｎｓｉｄｅＥｘｔｅｒｎａｌＧｅａｒＰｕｍｐ
外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析
魏列江，王鑫，张静，毛子强
（兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州７３００５０）
摘要：为了捕捉外啮合齿轮泵在高速旋转过程中内部流场的瞬时变化情况，针对某型号齿轮泵的实际模型，通过采用
ｗｉｔｈｔｈｅｏБайду номын сангаасｒｙｍｅａｎｌｆｏｗｒａｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｅｓｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｔｗｏｇｅａｒｓ，ｔｈｅｔｒａｐｐｅｄｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｎｂｅｉｎ —
ＷＥＩＬｉｅｊｉａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｎ，ＺＨＡＮＧＪｉｎｇ，ＭＡ０Ｚｉｑｉａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ＬｇａｎｚｈｏｕＧａｎｓｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
２０１３年１２月
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯ０Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｄｅｃ．２０ｌ３
第４１卷第２３期
Ｖｏ１．４ｌＮｏ．２３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ — ３８８１．２０１３．２３．０３７
流体动力学软件ＦＬＵＥＮＴ的动网格技术，对齿轮泵二维内部流场进行了仿真计算，得出齿轮泵在正常工作过程中，内部瞬态压力场和速度场的分布情况以及泵进出口的瞬时流量数据，并将其与理论平均流量进行了对比分析。从仿真结果可以看到：两齿轮在啮合过程中，困油压力可以升高到工作压力的数十倍，油液在齿轮啮合处被高速挤出，高压腔油液经齿顶圆径向问隙向低压腔泄漏，且速度较大。这些计算结果为外啮合齿轮泵的研究和优化设计提供了理论依据。关键词：外啮合齿轮泵；动网格技术；困油压力；瞬时内部流场