双蜗壳泵压力脉动特性及叶轮径向力数值模拟
蜗壳与叶轮相对位置对离心风机蜗壳内流场影响的数值模拟
蜗壳与叶轮相对位置对离心风机蜗壳内流场影响的数值模拟摘要：以G4-73№8D型离心风机为研究对象，利用NUMECA软件，采用Spalart-Allmaras湍流模型和多重网格技术，对改变蜗壳与叶轮轴向相对位置的风机进行了数值模拟，分析了各方案在给定截面上二次流漩涡、气流速度以及静压的变化情况。
关键词：离心风机；轴向相对位置；NUMECA；蜗壳内流场中图分类号：TK284.80 引言离心风机属于通用机械的范畴，在国防和国民经济的诸多领域中有着广泛的应用，同时也是主要的能源消耗设备。
由于离心风机的结构特点，叶轮之外的蜗壳形成了一个特殊形状的腔体[1]，当气体在蜗壳内流动时，其流场分布十分复杂[2-5]。
高负荷、大流量、高效率、低噪声、小型化以及更好的运行性能成为现代风机发展的总趋势。
本文以G4-73№8D离心风机为具体研究对象，利用NUMECA软件对改变蜗壳与叶轮轴向相对位置不同方案进行数值模拟，研究不同方案对风机蜗壳内流场的影响，在工程中设计风机时提供参考。
1模型建立和数值方法1.1 结构模型利用Solidworks软件建立风机物理模型，风机结构参数取自风机产品样本。
本次计算中，轴向相对位置的变化参数见表1。
表1 轴向相对位置变化参数方案参数1/mm 2/mm1 10 02 20 03 0 104 0 201.2 网格生成针对计算中的具体实例，采用AutoGrid 提供的H 型网格自动生成功能，通过调整相应的控制参数来生成最终的叶轮网格，AutoGrid 中划分的进风口和叶轮单通道网格大约为60万。
风机其它部分的网格生成需要首先划分区域，然后手动划分网格，IGG 中手动划分的网格约为40万。
最小网格正交性角度≥5；网格长宽比≤5000；最大网格延展比≤10。
图1为风机叶轮与蜗壳网格示意图。
图1风机叶轮与蜗壳网格示意图1.3 控制方程计算过程中采用Spalart-Allmaras湍流模型，选用中心差分格式进行空间离散，使用多重网格技术以加快了迭代收敛的速度，且多重网格的层数在i/j/k 方向都大于8。
单、双隔舌对离心泵径向力特性及内部流场的影响
单、双隔舌对离心泵径向力特性及内部流场的影响牟介刚;刘剑;谷云庆;代东顺;郑水华;马艺【摘要】为了明确不同型式隔舌对离心泵内部流场的影响，利用标准 k －ε湍流模型，对不同工况下单隔舌、双隔舌蜗壳离心泵外特性参数进行数值模拟及相关试验，验证双隔舌蜗壳离心泵的可行性，分析不同工况下单隔舌、双隔舌离心泵叶轮与蜗壳处径向力特性，并对蜗壳和叶轮静压分布以及流场的湍动能进行研究。
结果表明：采用双隔舌蜗壳并不会对离心泵外特性造成影响；不同工况下，作用在蜗壳上的径向力均远大于叶轮上的径向力，当采用双隔舌时，叶轮处径向力略微减少，而蜗壳处则降低显著；两种隔舌离心泵叶轮内流体流动趋势相当，各处静压分布较为均匀；不同时刻下，采用双隔舌时，其蜗壳内静压分布变化更小，尤其表现在蜗壳扩散段，说明双隔舌蜗壳更利于流体流动。
%In order to clarify different tongues'influences on the internal flow field of a centrifugal pump,based on a k-εturbulence model,its external characteristics were numerically simulated and tested under different operating conditions,the results showed that a double-tongue centrifugal pump is feasible.Radial force characteristics,static pressure distribution and the turbulent kinetic energy on the impeller and volute of centrifugal pumps with different tongues were analyzed.Results showed that the double-tongue has no obvious effects on the external characteristics of pumps;the radial hydraulic force acted on the volute is much larger than that acted on the impeller under different operating conditions;when the double-tongue is applied,the radial hydraulic force on the impeller decreases slightly,and it decreases significantly on the volute;tendencies of fluid flowing on the impellerunder different tongues are similar,and static pressure distributions are uniform for the two tongues;when the double-tongue is applied at different instants, changes of static pressure distribution aresmaller,especially,during the diffuser duration of the volute,so the double-tongue is much better for fluid flowing.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)011【总页数】7页(P116-122)【关键词】离心泵;双隔舌;数值模拟;径向力;流场【作者】牟介刚;刘剑;谷云庆;代东顺;郑水华;马艺【作者单位】浙江工业大学机械工程学院，杭州 310014;浙江工业大学机械工程学院，杭州 310014;浙江工业大学机械工程学院，杭州 310014;浙江工业大学机械工程学院，杭州 310014;浙江工业大学机械工程学院，杭州 310014;浙江工业大学机械工程学院，杭州 310014【正文语种】中文【中图分类】TH212;TH213.3离心泵根据设计理论得到的几何不对称螺旋形压水室，泵运行时旋转叶轮与蜗壳之间的动静干涉将使泵内部流场的径向分布差异较大，导致离心泵内部的三维非定常流动变得异常复杂[1-2]。
基于大涡模拟的离心泵蜗壳内压力脉动特性分析-修改
收稿日期：2010-1-7基金项目：国家自然科学基金资助项目（50979034）；江苏大学高级人才科研启动基金资助项目（09JDG032） 作者简介：袁建平（1970-），男，江苏金坛人，副研究员（yh@ ），主要从事流体机械内部流动及其诱导振动与噪声的研究.基于大涡模拟的离心泵蜗壳内压力脉动特性分析袁建平，付燕霞，刘 阳，张金凤，裴 吉（江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江212013）摘 要：为了研究由离心泵内部非定常流动引起的蜗壳流道内的压力脉动这一现象及其特性，针对带有三长三短叶片叶轮的离心泵，采用大涡模拟方法计算包括吸水室、叶轮和蜗壳全流道的流场，获得蜗壳流道压力脉动分布特性，并对其进行了频域和时域分析。
结果表明：由于叶片和蜗壳的动静相干作用，蜗壳内的压力脉动比较明显；在设计工况下，叶轮与蜗壳交界面周向上的隔舌处脉动最大；蜗壳内各监测点压力脉动的主频都是长叶片的通过频率，次主频为叶片的通过频率；蜗壳流道不同断面上的压力脉动基本一致，而扩压管内的压力脉动要比螺旋段的更有规律性；设计工况下，蜗壳内压力脉动没有明显的高频成分。
关键词：离心泵；压力脉动；蜗壳；大涡模拟；时域与频域分析 中图分类号:TH311 文献标识码：A 文章编号：Pressure fluctuation analyses within volute of centrifugal pumpbased on large eddy simulationYuan Jianping ，Fu Yanxia ，Liu Yang ，Zhang Jinfeng ，Pei Ji(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology ，Jiangsu University ，Zhenjiang ，Jiangsu 212013，China)Abstract ：In order to study the characteristics of the pressure fluctuation in centrifugal pump volute caused by unsteady flow inside the flowfield of a centrifugal pump, based on large eddy simulation （LES ）,its whole flowfield was calculated including the volute suction,impeller and volute of a centrifugal pump whose impeller has three long blades and three short blades.The pressure fluctuation in the volute was analysed in the time domain and frequency domain.The results show that the fluctuation appears obvious,resulting from the interaction of the impeller and volute.At the design flow rate the maximum fluctuation amplitude occurs at the circumference of the interfaces between the impeller and volute.The main frequency at the monitor points in volute are all long blades’ passing frequency and the sub-frequency is the splitter blades ’ passing frequency.It can be achieved that the pressure fluctuation of the different sections of volute was basically identical while the pressure fluctuation is more regular in the diffuser pipe than that in the spiral segment.There weren ’t significant high-frequency components in volute at the design flow rate.Key words ：centrifugal pump ；pressure fluctuation ；volute ；large eddy simulation (LES)；time-frequency domainanalyses由于离心泵的空间非对称性结构，叶轮高速旋转、叶轮和蜗壳的动静干涉相互作用以及流体的高粘性，其内部流动呈现出复杂的非定常特性。
双心室心脏泵内部流动非定常数值模拟
双心室心脏泵内部流动非定常数值模拟袁建平;孙文婷;王龙滟;付燕霞;洪锋;周帮伦【期刊名称】《排灌机械工程学报》【年(卷),期】2015(033)007【摘要】为了研究某新型离心式双心室人工心脏泵内部血液流动特性,采用CFD 技术对泵设计工况下的内部流场进行数值模拟分析,获得了该心脏泵内部速度、湍流动能和切应力分布规律,同时得到了泵进口流量、作用在不同过流部件的轴向力和径向力变化情况,并对蜗壳处的压力脉动进行分析.研究结果表明:该型双心室心脏泵内部流场没有出现明显的流动死水区,满足心脏泵的抗血栓要求;泵内压力和切应力分布规律相似,整体分布均匀,满足抗溶血性能的要求;由于心脏泵的整体设计为对称结构,很好地平衡了左右叶轮的轴向力;较小的泵整体结构的径向力和转矩有利于心脏泵抵御瞬态的径向负荷;左右两泵蜗壳处的压力脉动呈现明显的正弦周期性变化规律,均含有6个波峰和6个波谷,且各监测点处压力脉动的主频为叶片通过频率,这是由于叶轮和蜗壳的动静干涉作用.【总页数】8页(P553-559,582)【作者】袁建平;孙文婷;王龙滟;付燕霞;洪锋;周帮伦【作者单位】江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江 212013;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江 212013;昆士兰科技大学科学工程学院澳大利亚布里斯班4000;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江 212013;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江 212013;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江 212013【正文语种】中文【中图分类】TH311【相关文献】1.定常多相位与非定常计算方法在双吸离心泵数值模拟中的应用 [J], 胡乐;张淑佳;毛鹏展;徐铖2.定常多相位方法与非定常方法用于离心泵数值模拟的比较研究 [J], 张韬;张淑佳;毛鹏展;钱方琦3.板式贮箱内部流动的定常和非定常数值模拟 [J], 李永;潘海林;魏延明;赵春章4.熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性 [J], 杨敏官;邵腾;高波;李忠;王达5.超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性 [J], 陈杰;王勇;刘厚林;邵昌;张翔因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
喷水推进泵压力脉动特性数值计算及分析
喷水推进泵压力脉动特性数值计算及分析张明宇;王永生;靳栓宝;魏应三;付建【摘要】针对喷水推进器装船后不均匀来流对压力脉动特性的影响,以某巡逻艇喷水推进混流泵为研究对象,基于RANS方程和SST湍流模型,通过流体动力学软件CFX稳态计算,进行了巡逻艇航速数值预报,所得计算值与试航值误差为1.8％,从而验证了计算流体动力数值计算的可信性.采用分离涡模拟方法,对敞水泵和装船泵进行了三维非定常数值模拟,计算分析了叶轮进出口、叶轮内部、导叶内部及喷口5个截面和叶轮叶顶间隙处的压力脉动,并对不均匀来流带来的差别进行了研究.结果表明:在敞水泵和船后泵的叶轮出口、导叶内部,水流距叶轮越远,压力脉动影响越小,压力脉动频率取决于叶轮转动频率,压力脉动幅值沿轮毂到轮缘逐渐增大,船后泵压力脉动幅值整体高于敞水泵;对于均匀来流,敞水泵旋转域叶轮室的压力脉动频率主要受导叶的影响,船后泵则受轴频的影响,二者压力脉动幅值在叶顶间隙处均从叶顶沿导边到随边逐渐增大;对于敞水泵,流道出口压力脉动频率主要受叶频控制,对于船后泵,压力脉动频率为轴频.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)011【总页数】8页(P51-57,102)【关键词】喷水推进泵;计算流体动力学;压力脉动;分离涡模拟【作者】张明宇;王永生;靳栓宝;魏应三;付建【作者单位】海军工程大学动力工程学院,430033,武汉;海军工程大学动力工程学院,430033,武汉;海军工程大学动力工程学院,430033,武汉;海军工程大学动力工程学院,430033,武汉;海军工程大学动力工程学院,430033,武汉【正文语种】中文【中图分类】TH313随着舰船综合性能的提高,喷水推进在高性能舰船、快艇上的应用越来越广泛。
作为喷水推进器核心部件的喷水推进泵(简称喷泵)的设计便显得尤为重要,压力脉动特性研究可在保证喷泵水力效率的情况下有效缩减过激的泵体振动及其引起的局部空化,更是降噪研究的基础和前提。
不同断面型式蜗壳对离心泵性能影响的数值模拟
叶轮组合进行三维数值模拟． 计算 结果 表 明， 同型 式断 面的蜗 壳对 离心 泵性能有 一定 的影响 ， 不
矩形和 圆形蜗壳在 大流量工况 区的效率 比马蹄形蜗 壳略有提 高 ， 计点， 在设 矩形蜗 壳的效率 比马蹄 形的略低 ， 大流量工况却高 ； 小流量 工况 圆形蜗 壳的扬 程 比马蹄 形蜗 壳 的扬程 低 ， 但 在 而矩 形蜗 壳 和马蹄形蜗 壳相 差不大 ， 在设计 点矩形蜗壳和马蹄形蜗 壳略 高于圆形蜗 壳， 大流量 工况马蹄形蜗 在 壳的扬程有所 降低． 同的断面型式对蜗 壳的水力损 失也有一定的影响 ， 不 而且 随着流量 的变化损失 也在 变化． 矩形蜗 壳壁 面上 的压 力脉动 的幅值在设 计流量工况较马蹄形蜗 壳和 圆形蜗 壳要 小一些．
ｗｉ ｈ ｏ ｖ ｒａｉ ｎ Ａｔｌｗ ｏ ｒｔ ｈ ｙ ｒ ｕ ｉ ｏ ｓ ｉ ｈ ｒｇｎ ｌｖ ｌ ｔ ｍｐ ｉ ｈ ｎ ｍｕ ， ｔ ｔ ｅ ｆ ｗ ａ ｉｔｏ ． ｏ ｆ ｗ ａｅ ｔ ｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｌｓ ｎ ｔｅ ｏ ｉｉ ａ ｏｕ ｅ ｐｕ ｓｔ ｅ ｍｉ ｉ ｍ ｈ ｌ ｌ ｃ ａ ｄ ｔｅ ｏ ｅ ｉ ｈ ｉｃ ｌｒｖ ｌ ｔ ｕ ｓ ｍａ ｉ ｕ ． Ｗ ｈｉ ｔ ｈｇ ｏ ｒ ｔ ｈ ｙ ｒ ｕ ｉ ｏ ｓ ｉ ｈ ｎ ｈ ｎ ｎ ｔ ｅ ｃｒ ｕａ ｏｕ ｅ ｐ ｍｐ ｉ ｘｍ ｍ ｌ ａ ｉｈ ｆ ｗ ａｅ ｔ ｅ ｈ ｄ ａ ｌｃ ｌｓ ｎ ｔ ｅ ｅ ｌ ｃｒ ｕ ａ ｏ ｕｅ ｐ ｍ ｐ ｉ ｈ ｎ ｍｕ ，ａ ｄ ｔｅ ｏ ｅ ｉ ｈ ｅ ｔ ｎ ｕ ａ ｏｕｔ ｍｐ ｉ ｘｍ ｕ ． ｉｃ ｌｒ ｖ ｌ ｔ ｕ ｓ ｔ ｅ ｍｉ ｉ ｍ ｎ ｈ ｎ ｎ ｔ ｅ ｒ ｃａ ｇ ｌ ｒｖ ｌ ｅ ｐｕ ｓｍａ ｉ ｍ
双圆弧齿轮泵流量特性影响因素数值模拟
基金项目:国家自然科学基金项目(编号:５１２０５１０８)作者简介:黄成,男,河南科技大学在读硕士研究生.通信作者:徐恺(１９７９ ),男,河南科技大学副教授,博士.E Ｇm a i l :x ６２０２５＠１２６．c o m收稿日期:２０２２Ｇ１１Ｇ０２㊀㊀改回日期:２０２３Ｇ０５Ｇ１１D O I :１０．１３６５２/j ．s p j x ．１００３．５７８８．２０２２．８０９９６[文章编号]１００３Ｇ５７８８(２０２３)１０Ｇ００８７Ｇ０６双圆弧齿轮泵流量特性影响因素数值模拟N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f f a c t o r s a f f e c t i n gf l o wc h a r a c t e r i s t i c s o f d o u b l e Ｇc i r c u l a r Ｇa r cg e a r p u m p黄㊀成１HU A N GC h e n g１㊀徐㊀恺１,２X U K a i１,２㊀韦智博１WE IZ h i b o １㊀李阁强１,２L IG e q i a n g１,２(１．河南科技大学机电工程学院,河南洛阳㊀４７１００３;２．河南科技大学机械装备先进制造协同创新中心,河南洛阳㊀４７１００３)(１．C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ,H e n a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,L u o y a n g ,H e n a n ４７１００３,C h i n a ;２．A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o nC e n t e r o f He n a n U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n dT e c h n o l og y ,L u o y a n g ,He n a n ４７１００３,C h i n a )摘要:目的:分析新型双圆弧齿轮泵内部流场脉动特性的影响因素,采用合理参数以提高齿轮泵输出效率.方法:建立齿轮泵的二维流场仿真模型,采用计算流体力学软件F l u e n t 进行仿真分析,研究不同齿顶间隙㊁不同齿轮偏心距㊁负载及转速对齿轮泵出油口瞬时流量㊁流量脉动㊁流场特性的影响.结果:随着齿顶间隙增大,齿轮泵出口流量逐渐减小,当齿顶间隙为０．０９mm 时,出口流量脉动系数最小为０．１３５,为该结构参数下齿轮泵最佳齿顶间隙;受负载压力和转速的影响,齿轮泵中心轴线产生偏差,随着齿轮泵转子中心轴线偏心距增加,齿轮泵出口流量逐渐增大,当偏心距为０．０５mm 时,齿轮泵出口流量比无中心偏差时增加了５．０９％,提高了流量输出.结论:齿轮泵流量特性主要影响因素为转子转速和齿顶间隙,中心偏差的影响较小.关键词:双圆弧齿轮泵;瞬时流量;流场特性;数值模拟A b s t r a c t :O b je c t i v e :A n a l y z e d t h ei nf l u e n c i ng f a c t o r s o fth ei n t e r n a l f l o w f i e l d p u l s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h e n e w d o u b l e c i r c u l a ra r c g e a r p u m p ,a n d a d o p tr e a s o n a b l e p a r a m e t e r st o i m p r o v e t h eo u t p u te f f i c i e n c y o f t h e g e a r p u m p ．M e t h o d s :T h e t w o Ｇd i m e n s i o n a l f l o wf i e l ds i m u l a t i o n m o d e lo ft h e g e a r p u m p w a se s t a b l i s h e d ,a n dt h ec o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e F l u e n tw a s u s e d f o r s i m u l a t i o na n a l y s i s t os t u d y th e i n f l u e n c eo f d i f f e r e n t t i p c l e a r a n c e ,d i f f e r e n t g e a r e c c e n t r i c i t y ,l o a d a n d s p e e d o n t h e i n s t a n t a n e o u s f l o w ,f l o w p u l s a t i o n a n d f l o w f i e l dc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e o i l o u t l e t o f t h e g e a r p u m p ．R e s u l t s :A s t h e t o o t ht i p c l e a r a n c ei n c r e a s ed ,t h eo u t le tf l o w r a t eo ft h eg e a r p u m pg r a d u a l l y d e c r e a s e d ．Wh e nt h et o o t hti p cl e a r a n c e w a s ０．０９mm ,t h e m i n i m u m p u l s a t i o nc o e f f i c i e n to f t h eo u t l e tf l o w r a t ew a s ０．１３５,w h i c hw a s t h e o p t i m a l t o o t h t i p c l e a r a n c e f o r t h e g e a r p u m p u n d e r t h i s s t r u c t u r a l p a r a m e t e r ．D u e t o t h e i n f l u e n c e o f l o a d p r e s s u r e a n d r o t a t i o n a l s p e e d ,t h e c e n t r a l a x i s o f t h e g e a r p u m p d e v i a t e s ．A s t h e e c c e n t r i c i t y o f t h e c e n t r a l a x i s o f t h e g e a r p u m p r o t o ri n c r e a s e d ,t h eo u t l e tf l o w r a t eo ft h e g e a r p u m pg r a d u a l l y i n c r e a s e d ．W h e nt h ee c c e n t r i c i t y w a s０．０５mm ,t h e o u t l e t f l o wr a t eo f t h e g e a r p u m p i n c r e a s e db y ５．０９％c o m pa r e d t o w i t h o u t c e n t r a l d e v i a t i o n ,i m p r o v i n g t h e f l o w o u t p u t ．C o n c l u s i o n :T h e m a i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s o n t h e f l o w c h a r a c t e r i s t i c so f g e a r p u m p s a r e r o t o r s p e e d a n d t o o t h t i p c l e a r a n c e ,a n d t h e i n f l u e n c e o f c e n t e r d e v i a t i o n i s r e l a t i v e l y s m a l l ．K e yw o r d s :d o u b l ec i r c u l a ra r c g e a r p u m p ;i n s t a n t a n e o u sf l o w ;f l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c s ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n齿轮泵结构紧凑㊁制造方便,其良好的适应性被广泛应用于食品工业领域,如对咖啡液的固化㊁食用油的提取以及酿酒过程的再循环[１－２].齿轮泵输送液体过程中,流量和脉动始终是评判其性能优劣的重要标准,为探究影响齿轮泵脉动特性的影响因素,有学者[３－５]对齿轮泵的流量脉动以及流场特性进行了大量分析及优化.刘茜[６]依据齿轮啮合原理,采用控制体积法,推导了瞬时流量的计算公式,并进一步分析了不同齿轮转子齿数㊁压力角㊁模数以及有无卸荷槽对齿轮泵流量特性的影响.王文等[７]首先采用C F D 方法分别对直齿轮㊁人字齿轮㊁斜齿轮以及错位齿轮进行仿真分析,而后通过对直齿式油泵进行试验,验证了仿真模型的可靠性.周二杰等[８]在二维仿真模型下计算了不同转速对齿轮泵流场的影响,得到内部流场的压力图㊁速度图㊁流线图㊁噪声图等,分析７８F O O D &MA C H I N E R Y 第３９卷第１０期总第２６４期|２０２３年１０月|了其与转速的关系.李玲辉等[９]考虑了空化效应,采用P u m p L i n x 软件分析了中心距㊁负载压力㊁液压油含气率对齿轮泵流量特性的影响,结果表明增大齿轮安装中心距会使齿轮泵脉动系数增加,同时完全溶解于液压油中的空气会在高压下析出产生空化,从而显著增加流量脉动.杨国来等[１０]为提高吸油稳定性,解决高转速齿轮泵空化严重问题,仿真了不同吸油口尺寸下泵的空化特性及吸油稳定性,结果表明吸油口尺寸增加可有效避免产生空化现象,因此,在齿轮泵设计过程中应选用适合的进油口直径.S z w e m i n 等[１１]通过建立齿轮泵泄漏的理论模型,将试验和仿真结果进行对比,结果表明偏心率的增加对齿轮泵的容积效率有积极影响.研究将采用新型双圆弧齿轮泵进行分析,其端面齿形由两段圆弧及一条过渡曲线组成,由于其接触属于单点接触,不形成困油区,因此具有流量脉动小,理论上无困油现象的优点[１２－１３].同时,采用数值模拟分析不同齿顶间隙㊁中心偏差以及负载作用对齿轮泵内部流场特性和流量脉动的影响,通过结构优化提高齿轮泵出口流量品质,为齿轮泵在食品工业中的应用推广提供依据.１㊀流体计算理论及模型建立１．１㊀流体控制理论采用C F D 仿真时,齿轮泵转子为刚体运动,流体为牛顿流体,计算过程中,满足质量守恒㊁动力守恒等定律[１４－１５].质量方程为:∂ρ∂t ＋∂(ρu x )∂x ＋∂(ρu y )∂y ＋∂(ρu z )∂z ＝０,(１)式中:u x ㊁u y ㊁u z x ㊁y ㊁z ３个方向上的速度分量;t 时间,s;ρ流体密度,k g /m ３.动量守恒方程为:∂(ρu )∂t ＋Ñ(ρu u ң)＝Ñ(μg r a d u )－∂ρ∂x ＋S u ∂(ρv )∂t ＋Ñ(ρv u ң)＝Ñ(μg r a d v )－∂ρ∂x ＋S v ∂(ρw )∂t ＋Ñ(ρw u ң)＝Ñ(μg r a d w )－∂ρ∂x＋S w ìîíïïïïïï,(２)式中:S u ㊁S v ㊁S w 动量守恒方程的广义源项.能量方程为:∂(ρT )∂t ＋Ñ(ρu ңt )＝Ñk c pg r a d T ()＋S T ,(３)式中:k流体热传导系数;S T流体内热源及由于黏性作用于流体的机械能转换为热能的部分(一般情况下不予考虑).湍流模型为k －e 方程,表达式为:∂(ρk )∂t ＋∂(ρk u i )∂x i ＝∂∂x jμ＋μt σk()∂k ∂x j []＋G k ＋G b －ρε－Y M ,(４)∂(ρε)∂t ＋∂(ρεu i )∂x i ＝∂∂x j μ＋μt σε()∂ε∂x j []＋ρC １E ε－ρC ２ε２k ＋v ε＋C １εεkC ３εC b ,(５)式中:G k 由平均速度梯度引起的湍动能,m ２/s２;G b 由浮力引起的湍动能,m ２/s２;Y M可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响系数;a k湍动能对应的普朗特数;σε湍动耗散率对应的普朗特数;C １ε㊁C ２ε㊁C ３ε㊁C ２㊁A ０ 经验常数(F l u e n t 中默认为C １ε＝１．４４㊁C ２ε＝１．９２㊁C ３ε＝０．０９㊁C ２＝１．９㊁A ０＝４．０).１．２㊀仿真模型的建立研究[１６]表明,齿轮泵容积效率试验与仿真结果具有很好的一致性,试验获得的效率与模拟测试获得的效率之间的差异ɤ２％,可较为准确地反映齿轮泵内部流场情况,因此采用二维流场进行仿真计算,建立双圆弧齿轮泵二维流场计算模型如图１所示.图１㊀双圆弧齿轮泵计算模型F i gu r e １㊀C a l c u l a t i o nm o d e l o f d o u b l e c i r c u l a r a r c g e a r p u m p㊀㊀基本参数:齿轮转子副齿数为７,法向模数m n 为２㊁端面模数m t 为２．５７㊁法向压力角αn 为２８ʎ㊁分度圆直径为１８mm ㊁齿顶齿根圆弧半径为１．６７mm ㊁齿轮齿顶圆半径为１０．６７mm ㊁进口直径为１６mm ,出口直径为１０mm ,理论中心距为１８mm ,为保证计算过程中啮合处不出现拓扑结构损坏,转子副啮合处必须存在一定间隙,仿真时转子中心距设为１８．２mm .２㊀仿真条件设置２．１㊀网格划分在计算机辅助设计软件C A D 中建立齿轮泵二维模型,将流体域输出为A C I S (．s a t )格式,在M e s h i n g 中通过８８食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T &I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G总第２６４期|２０２３年１０月|插入网格生成方法和网格尺寸进行网格生成,设置单元尺寸０．０２５生成三角形网格,一般三角形适合非稳态的计算,齿轮泵内部流动状态随时间改变,因此使用非结构化动网格进行网格划分,在网格质量中选择单元质量可查看网格质量,显示最小网格质量为０．５４,最大网格质量为１．００,平均质量为０．９４,该网格质量较高,满足仿真要求,统计中可查看节点数量为４９万,单元数量为９６万.网格划分及单元质量见图２.图２㊀齿轮泵网格划分F i g u r e２㊀M e s hd i v i s i o no f g e a r p u m p ２．２㊀F l u e n t仿真条件设定设置边界条件时,将进口设定为压力入口,压力值设定为０P a,在入口湍流设置中,将方式改为强度和水力直径,湍流强度值为５％,水力直径按式(６)计算,结果为０．０１７８,设定出口边界条件为压力出口,湍流方式同进口设置保持一致.D H＝４A X,(６)式中:A 流体流过断面的面积,m２;X 流过断面与固体壁面的交线周长(湿周),m;D H 水力直径.流动介质将空气改为液压油,液压油密度为８４４k g/m３,黏度为０．０２５４９k g/(m s).采用k－e标准壁面函数模型,在动网格中打开光顺和网格重新划分,为保证网格质量,网格尺寸重构间隔为１,创建动网格时,将进口㊁出口和壁面类型选取为静止,转子类型设置为刚体,采用p r o f i l e文件驱动齿轮转子转动,以转速４０００r/m i n为例,则每秒钟齿轮转动弧度为４０００ː６０ˑ２π＝４１８．８８,仿真采用混合初始化,时间步长为２．５e－６,步数为３０００,此时齿轮刚好进行７次啮合.编写主动轮p r o f i l e文件格式为((l e f tＧg１㊀３㊀p o i n t)(t i m e㊀０㊀１㊀６０)(o m e g a_z㊀４１８．８８㊀４１８．８８㊀４１８．８８)从动轮p r o f i l e文件与主动轮转速相同,方向相反即可.由于模型以左边齿轮圆心为坐标原点建立,因此设置左边齿轮重心坐标位置为(０,０),右边重心位置为(０．０１８２,０),参考值进口截面积为０．０００３２m２,其中进口边长０．０１６m,深度为０．０２m.３㊀仿真结果与分析３．１㊀齿顶间隙对流量特性的影响为防止摩擦,齿轮泵体与齿轮会形成较小的间隙δ,受压强及油液黏度影响,部分液压油会通过齿轮泵体与齿轮形成的间隙朝齿轮旋转方向的反方向形成泄漏,导致容积率降低,因此需探究最适合的齿顶间隙以减小流量脉动的同时提高出口流量,给出的齿轮泵齿顶径向泄漏模型如图３所示.图３㊀齿轮泵径向间隙模型F i g u r e３㊀R a d i a l c l e a r a n c em o d e l o f g e a r p u m p㊀㊀出口流量和出口流量脉动系数φ是决定齿轮泵效率和评判齿轮泵流量品质的重要因素,因此通过改变泵体内壁直径大小,建立不同齿顶间隙仿真模型,探讨齿顶间隙变化对齿轮泵出口流量输出以及流量脉动产生的影响,按式(７)计算齿轮泵常用的两种流量脉动系数[１７].φ＝q V m a x－q V m i nq V tq V m a x－q V m i nq Vìîíïïïï,(７)式中:q V m a x㊁q V m i n 瞬时流量最大值和最小值;q V t 理论流量;q V 平均流量.通过数值模拟,不同齿顶间隙下出口流量随时间变化曲线如图４所示.由图４可知,随着齿顶间隙的增大,出口流量逐渐减小,０．０３~０．１５mm齿顶间隙下,平均出口流量依次为１０．９７,１０．４５,９．８７,８．６５,７．２６L/m i n,随着间隙的增加,出口流量减小的趋势更加明显,间隙为０．０９mm相较于０．０３mm时出口平均流量降低了１０％,９８|V o l．３９,N o．１０黄㊀成等:双圆弧齿轮泵流量特性影响因素数值模拟而间隙为０．１５mm相较于０．０９mm时出口流量降低了２６％,降幅明显高于前者,因此,设计齿轮泵时,需要着重考虑齿顶间隙对齿轮泵效率的影响[１８],特别是在大的齿顶间隙下,将明显降低齿轮泵的输出流量,应综合考虑齿轮泵的效率以及流量品质问题,选用最佳齿轮泵齿顶间隙作为齿轮泵设计准则.㊀㊀根据给出的脉动系数计算公式,得到不同齿顶间隙下齿轮泵出口流量脉动系数变化如图５所示.由图５可知,在一定范围内,随着齿顶间隙的增加,脉动系数值呈先减小后增大趋势,当齿顶间隙为０．０９mm时,最小脉动系数为０．１３５,此时可以获得较高的出口流量品质.３．２㊀中心偏差对流量特性的影响由于圆弧螺旋齿轮传动为点啮合传动,不存在困油区,因此无需考虑困油对径向力的影响,但当齿轮泵转子高速旋转时,入口吸油腔内压力骤减形成低压区,同时出口受负载的影响形成高压区,齿轮泵转子在压力差作用下会导致中心轴线向上偏移,产生不同程度的偏差(见图６).由图７可知,随着中心偏差的增大,出口平均流量逐图４㊀不同齿顶间隙下出口流量随时间变化图F i g u r e４㊀V a r i a t i o no f o u t l e t f l o w w i t h t i m eu n d e rd i f fe r e n t a d d e n d u mc l e a r a n c e 渐增加,靠近低压区齿顶间隙的减小可减缓齿轮泵的径向泄漏.相较于无中心偏差情况,当中心偏差为０．０５mm时,出口平均流量由９．９５L/m i n提高至１０．４５L/m i n,增长率为５％,相较于齿顶间隙,中心偏差对出口流量影响较小.３．３㊀转速及负载压力对流量特性的影响通过定量分析法,对转速及负载进行约束分析,探究二者对齿轮泵流量特性的影响,图８㊁图９分别为转速４０００r/m i n时内部流场压力云图和内部流场速度云图,此时泵体与齿顶径向齿顶间隙为,负载为图不同齿顶间隙下出口流量脉动系数F i g u r e５㊀O u t l e t f l o wf l u c t u a t i o n c o e f f i c i e n t u n d e rd i f fe r e n t t o p c l e a r a n c e图６㊀齿轮泵中心偏差示意图F i g u r e６㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f g e a r p u m p c e n t e rd e v i a t i on图７㊀不同齿轮中心偏差下出口瞬时流量及平均流量F i g u r e７㊀O u t l e t i n s t a n t a n e o u s f l o wa n da v e r a g e f l o wu n d e r d i f f e r e n t g e a r c e n t e r d e v i a t i o n ０９食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T&I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G总第２６４期|２０２３年１０月|１M P a .由图８可知,在流场域中,最大压力区为负载侧齿轮啮合处,最低负压区为进油口侧齿轮啮合处,从负载区到进油口区的两侧油腔压力值逐渐减小,产生这种现象的原因之一是由于齿轮齿顶间隙的存在导致齿轮齿顶间隙处发生泄漏造成的.同时,齿轮泵流速较高区域为齿轮泵出口中心位置以及齿轮泵壁面与齿轮形成的容积内,齿轮泵出口两侧受负载压力的影响流速较慢,且齿轮泵实际使用过程中齿轮相互接触,仿真结果中齿轮啮合位置由于间隙的存在出现的高速在实际使用过程中可能不存在.图８㊀齿轮泵内部流场压力云图F i g u r e ８㊀N e p h o gr a mo f i n t e r n a l f l o wf i e l da n d p r e s s u r e o f g e a r p u mp图９㊀齿轮泵内部流场速度云图F i g u r e ９㊀N e p h o g r a mo f i n t e r n a l f l o wf i e l da n d v e l o c i t y o f g e a r p u m p ㊀㊀转速大小会直接影响齿轮泵的泄漏,提高转速会减小泄漏涡的强度[１９],进而影响流场压力和速度,通过F l u e n t 结果中通量报告,对齿轮泵在不同齿顶间隙下进油口和出油口压力检测可知,随着齿顶间隙的增加,出油口压力基本保持不变,但进油口负压变大,由于转速极高,齿轮啮合区域将产生远高于负载和其他流场区域内的压力,巨大的压力差是导致啮合区域流场产生空化效应的主要原因.以０．５M P a 为间隔,对１~３M P a 负载下出口流量进行监测,不同负载下齿轮泵瞬时出口流量如图１０所示.由图１０可知,随着负载的增大,齿轮泵出口流量逐渐减小,不同负载压力下平均出口流量分别为１０．９２,９．２８,７．６９,６．５２,５．１７L /m i n ,表明负载对齿轮泵流量影响较大,１M P a 负载压力下的出口流量为３M P a 时的２．１倍,在齿轮泵实际使用过程中应对其工作条件进行限制以保证齿轮泵应有的效率.图不同负载下齿轮泵出口瞬时流量F i g u r e １０㊀I n s t a n t a n e o u s f l o wa t o u t l e t o f g e a r p u m pu n d e r d i f f e r e n t l o a d s㊀㊀对负载为１M P a 下不同转速齿轮泵进行流场仿真分析,不同转速下出口瞬时流量和脉动系数如图１１所示.由图１１可知,出口流量随转速的提高逐渐变大,瞬时流量呈周期性变化,且随着转速的提高,齿轮完成一次啮合的时间变短,脉动频率变大,与理论计算结果一致.图１２为不同转速下流量脉动系数,随着转速的提高,出口流量图１１㊀不同转速下齿轮泵出口瞬时流量F i g u r e １１㊀I n s t a n t a n e o u s f l o wa t o u t l e t o f g e a r p u m p at图不同转速下流量脉动系数F i gu r e １２㊀F l u c t u a t i o n c o e f f i c i e n t o f f l o wa t d i f f e r e n t s pe e d s １９|V o l ．３９,N o ．１０黄㊀成等:双圆弧齿轮泵流量特性影响因素数值模拟脉动系数逐渐减小.４㊀结论基于一种 圆弧－渐开线－圆弧 齿轮泵转子齿形,使用C A D软件建立了齿轮泵仿真模型,导入F l u e n t进行网格划分及边界条件设置,并通过C F D软件进行内部流场仿真分析.结果表明,由于齿顶间隙的存在,齿轮泵的流量随齿顶间隙的增大而减小,且减小幅度逐步增加,表明在结构参数一定的条件下,齿轮泵存在一个最佳齿顶间隙０．０９mm,在此间隙下齿轮泵的流量脉动系数最小.齿轮中心偏差距的增加可提高齿轮泵内部流场速度,偏心导致进油口低压区齿顶间隙减小,有利于减小径向泄漏,相较于无偏心情况,０．０５m m偏心距下齿轮泵出口流量提高了５％.出口流量随负载的增加而降低,但随转速的提高而增加,同时转速的提高有助于降低齿轮泵内部流量脉动,当转速由３０００r/m i n提高至７０００r/m i n时,脉动系数可降低７６％.后续可通过建立两相流仿真模型的方式,讨论油液含气率对齿轮泵流量特性的影响.参考文献[1]GUPTA R.齿轮泵在食品工业中的应用[J].中国食品工业,2004 (11):48Ｇ50.GUPTA R.Application of gear pump in food industry[J].China Food Industry,2004(11):48Ｇ50.[2]刘津臣.多用途食品泵[J].食品机械,1988(1):9Ｇ10.LIU J.MultiＧpurpose food pump[J].Food Machinery,1988(1): 9Ｇ10.[3]张静,毛子强,杨国来.外啮合斜齿轮泵内部流场仿真与分析[J].液压与气动,2014(2):10Ｇ13.ZHANG J,MAO Z Q,YANG G L.Simulation and analysis of internal flow field of external helical gear pump[J].Hydraulic and Pneumatic,2014(2):10Ｇ13.[4]赵鹏军,谷立臣,焦龙飞,等.考虑油液特性的齿轮泵内部流场仿真分析研究[J].机床与液压,2017,45(19):148Ｇ152,169.ZHAO P J,GU L C,JIAO L F,et al.Simulation and analysis of internal flow field of gear pump considering oil characteristics[J]. Machine Tool and Hydraulics,2017,45(19):148Ｇ152,169.[5]魏小玲,冯永保,刘珂,等.基于EEMD的圆弧齿轮泵空化流动及振动特性试验研究[J].振动与冲击,2022,41(10):90Ｇ98.WEI X L,FENG Y B,LIU K,et al.Experimental study on cavitation flow and vibration characteristics of circular gear pump based on EEMD[J].Vibration and Shock,2022,41(10):90Ｇ98. [6]刘茜.外啮合齿轮泵的瞬时流量及脉动特性研究[J].机械传动, 2013,37(6):17Ｇ21.LIU Q.Research on instantaneous flow and pulsation characteristics of external gear pump[J].Mechanical Transmission,2013,37(6): 17Ｇ21.[7]王文,尹艳美,贺尚红,等.齿轮式机油泵齿形对流量特性的影响分析[J].食品与机械,2016,32(12):92Ｇ95.WANG W,YIN Y M,HE S H,et al.Analysis of influence of gear oil pump tooth shape on flow characteristics[J].Food&Machinery, 2016,32(12):92Ｇ95.[8]周二杰,梁培生,张国政.基于Fluent的农用齿轮泵不同转速下的流场分析[J].中国农机化学报,2017,38(3):27Ｇ30.ZHOU E J,LIANG P S,ZHANG G Z.Flow field analysis of agricultural gear pump at different speeds based on fluent[J].China Journal of Agricultural Machinery Chemistry,2017,38(3):27Ｇ30.[9]李玲辉,陈奎生,湛从昌.考虑空化的外啮合齿轮泵流量特性仿真分析[J].武汉科技大学学报,2021,44(4):262Ｇ269.LI L H,CHEN K S,ZHAN C C.Simulation analysis of flow characteristics of external gear pump considering cavitation[J].Journal of Wuhan University of Science and Technology,2021,44 (4):262Ｇ269.[10]杨国来,王文宇,黄付田,等.不同吸油口尺寸及转速下齿轮泵空化特性[J].液压与气动,2020(1):74Ｇ79.YANG G L,WANG W Y,HUANG F T,et al.Cavitation characteristics of gear pump under different oil suction size and speed[J].Hydraulic and Pneumatic,2020(1):74Ｇ79.[11]SZWEMIN P,FIEBIG W.The influence of radial and axial gapson volumetric efficiency of external gear pumps[J].Energies,2021, 15(14):4468Ｇ4489.[12]ZHOU Y,HAO S,HAO M.A twoＧdimensional numerical analysis of a circularＧarc gear pump operating at high pressures and high speeds[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part E Journal of Process Mechanical Engineering,2015,231(3): 432Ｇ443.[13]李阁强,张龙飞,韩伟锋,等.双圆弧斜齿齿轮泵脉动特性分析及齿形设计[J].中国机械工程,2018,29(2):186Ｇ192.LI G Q,ZHANG L F,HAN W F,et al.Pulsation characteristic analysis and tooth profile design of doubleＧcircularＧarc helical gear pump[J].China Mechanical Engineering,2018,29(2): 186Ｇ192.[14]魏列江,王鑫,张静,等.外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析[J].机床与液压,2013,41(23):134Ｇ137.WEI L J,WANG X,ZHANG J,et al.Simulation and analysis of internal flow field of external gear pump[J].Machine Tool and Hydraulic,2013,41(23):134Ｇ137.[15]商嘉玮,黄志刚,张一明,等.四螺杆挤出机螺杆排列方式对聚乳酸流场特性的影响[J].食品与机械,2023,39(3):72Ｇ77.SHANG J W,HUANG Z G,ZHANG Y M,et al.The effect of screw arrangement on the flow field characteristics of polylactic acid in a four screw extruder[J].Food&Machinery,2023,39(3): 72Ｇ77.[16]CHEN C K,YANG S C.Geometric modelling for cylindrical andhelical gear pumps with circular arc teeth[J].ARCHIVE Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science,2000,214(4): 599Ｇ607.(下转第１１１页)２９食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T&I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G总第２６４期|２０２３年１０月|[7]刘现伟,颉潭成,徐彦伟,等.基于叠加摆线运动规律的Delta 机器人轨迹规划[J].制造业自动化,2021,43(6):88Ｇ94.LIU X W,JIE T C,XU Y W,et al.Delta robot trajectory planning based on superimposed cycloidal motion laws[J].Manufacturing Automation,2021,43(6):88Ｇ94.[8]徐岩.基于改进引力搜索算法的高速并联机器人轨迹优化[J].食品与机械,2022,38(5):82Ｇ86.XU Y.Trajectory optimization of highＧspeed parallel robots based on improved gravity search algorithm[J].Food&Machinery,2022, 38(5):82Ｇ86.[9]梅江平,孙玉德,贺莹,等.基于能耗最优的4自由度并联机器人轨迹优化[J].机械设计,2018,35(7):82Ｇ86.MEI J P,SUN Y D,HE Y,et al.Trajectory optimization of a 4Ｇdegree of freedom parallel robot based onoptimal energy consumption[J].Mechanical Design,2018,35(7):82Ｇ86.[10]刘现伟,颉潭成,徐彦伟,等.基于合成运动的Delta机器人轨迹规划[J].制造业自动化,2021,43(7):19Ｇ23,47.LIU X W,JIE T C,XU Y W,et al.Delta robot trajectory planning based on synthetic motion[J].Manufacturing Automation,2021,43 (7):19Ｇ23,47.[11]LI W,XIONG R.A hybrid visual servo control method forsimultaneously controlling a nonholonomic mobile and a manipulator[J].Frontiers of Information Technology&Electronic Engineering,2021,22(2):141Ｇ154.[12]史亚贝.基于DSP的三自由度采摘机械手控制系统研究[J].农机化研究,2022,12(2):34Ｇ38.SHI Y B.Research on control system of3ＧDOF picking manipulator based on DSP[J].Agricultural Mechanization Research,2022,12(2):34Ｇ38.[13]李光,章晓峰,杨加超,等.基于残差BP神经网络的6自由度机器人视觉标定[J].农业机械学报,2021,52(4):366Ｇ374.LI G,ZHANG X F,YANG J C,et al.Vision calibration of6ＧDOF robot based on residual BP neuralnetwork[J].Journal of Agricultural Machinery,2021,52(4):366Ｇ374.[14]朱大昌,盘意华,杜宝林,等.一种并联机器人轨迹规划算法研究[J].机床与液压,2023,51(5):14Ｇ22.ZHU D C,PAN Y H,DU B L,et al.Research on a trajectory planning algorithm for parallel robots[J].Machine Tool and Hydraulic,2023,51(5):14Ｇ22.[15]伍经纹,徐世许,王鹏,等.基于Adams的三自由度Delta机械手的运动学仿真分析[J].软件,2017,38(6):108Ｇ112.WU J W,XU S X,WANG P,et al.Kinematics simulation analysis of3ＧDOFDelta manipulator based on ADAMS[J].Software,2017, 38(6):108Ｇ112.[16]张皓宇,刘晓伟,任川,等.并联机器人正运动学与NURBS轨迹规划[J].机械设计与制造,2021,12(4):282Ｇ292.ZHANG H Y,LIU X W,REN C,et al.Forward kinematics and NURBS trajectory planning of parallelrobot[J].Mechanical Design and Manufacturing,2021,12(4):282Ｇ292.[17]赵利平,吴德刚.基于小波与模糊相融合的苹果分级算法[J].食品与机械,2020,36(4):142Ｇ145.ZHAO L P,WU D G.Apple grading algorithm based on Wavelet and fuzzy fusion[J].Food&Machinery,2020,36(4):142Ｇ145.[18]AZUMAYA C M,DAYS E L,VINSON P N,et al.Screening forAMPA receptor auxiliary subunit specific modulators[J].PLoS One,2017,12(3):1523Ｇ1538.[19]贺禹强,刘故帅,肖异瑶,等.基于改进GAＧPSO混合算法的变电站选址优化[J].电力系统保护与控制,2017,45(23):143Ｇ150.HE Y Q,LIU G S,XIAO YY,et al.Substation location optimization based on improved GAＧPSO hybrid algorithm[J]. Power System Protection and Control,2017,45(23):143Ｇ150.[20]朱光耀.基于无标定视觉伺服的全向移动机械臂跟踪控制[J].电子测量技术,2020,43(23):23Ｇ29.ZHU G Y.Tracking control of omnidirectional mobile manipulator based on uncalibrated visual servo[J].Electronic Measurement Technology,2020,43(23):23Ｇ29.[21]王志中.基于改进蚁群算法的移动机器人路径规划研究[J].机械设计与制造,2018,12(1):242Ｇ244.WANG Z Z.Research on mobile robot path planning based on improved ant colony algorithm[J].Mechanical Design and Manufacturing,2018,12(1):242Ｇ244.[22]王曦,王宗彦,张宇廷,等.基于NSGAＧⅡ算法的并联机器人多目标轨迹规划[J].机械设计与制造工程,2022,51(12): 72Ｇ77.WANG X,WANG Z Y,ZHANG Y T,et al.Multi objective trajectory planning for parallel robots based on NSGAＧII algorithm[J].Mechanical Design and Manufacturing Engineering, 2022,51(12):72Ｇ77.(上接第９２页)[17]孔繁余,何玉洋,郑德,等.外啮合齿轮泵流量特性影响因素分析[J].排灌机械工程学报,2014(2):108Ｇ112.KONG F Y,HE Y Y,ZHANG D,et al.Analysis of factors affecting flow characteristics of external gear pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2014(2):108Ｇ112.[18]李行,董庆伟,李阁强,等.高速高压圆弧螺旋齿轮泵径向力补偿方法研究[J].现代制造工程,2022(5):72Ｇ78.LI H,DONG Q W,LI G Q,et al.Research on radial forcecompensation method of highＧspeed and highＧpressure arc helicalgear pump[J].Modern Manufacturing Engineering,2022(5):72Ｇ78.[19]刘坤,徐雷,杨波,等.啮合斜齿轮高压泵的CFD数值模拟[J].排灌机械工程学报,2019,37(4):307Ｇ312.LIU K,XU L,YANG B,et al.CFD numerical simulation of meshing helical gear highＧpressure pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2019,37(4):307Ｇ312.１１１|V o l．３９,N o．１０傅明娣等:基于多目标优化的油茶果分选机器人轨迹规划方法研究。
交错叶片对双吸离心泵蜗壳流道压力脉动影响数值分析
交错叶片对双吸离心泵蜗壳流道压力脉动影响数值分析
徐占国;高超丹;庄克云;贾梧桐
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2017(0)10
【摘要】压力脉动是引起离心泵机组振动和噪声的关键因素之一,严重影响机组安全稳定运行。
采用ANSYS Fluent软件分别模拟某大型双吸离心泵在叶片交错0°、15°和30°时的流态,分析了叶片交错角度对双吸泵水力特性和蜗壳流道压力脉动的影响规律。
结果表明:叶片交错角度对双吸离心泵水力性能影响极小;采用两侧叶片
交错布置的双吸叶轮能有效降低压力脉动;随着交错角度的增大,压力脉动幅值呈递
减趋势;叶片交错布置时蜗壳流道叶频脉动显著减弱,脉动主频由叶频向叶轮转动频
率转移。
【总页数】5页(P218-222)
【关键词】压力脉动;双吸离心泵;叶片交错;数值分析
【作者】徐占国;高超丹;庄克云;贾梧桐
【作者单位】武汉大学水利水电学院;武汉大学动力与机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.33;S277.9
【相关文献】
1.交错布置叶片对双吸离心泵压力脉动特性的影响研究 [J], 宋冬梅;雷明川;费宇;
刘雪垠
2.叶片交错布置不同角度对双吸离心泵蜗壳内压力脉动的影响 [J], 赵万勇;薛亚丽;葛靖国;颜韶华
3.双吸双蜗壳离心泵隔舌处的压力脉动特性 [J], 王家斌;陈佳;袁寿其;裴吉;孟凡
4.叶片进口边位置对单叶片离心泵蜗壳内压力脉动的影响 [J], 陈建芳;施卫东;张德胜;谭林伟
5.交错叶片叶轮对双吸离心泵蜗壳内压力脉动的影响研究 [J], 雷明川;赖喜德;宋冬梅;张伟;罗宝杰
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2009年11月农业机械学报第40卷第11期双蜗壳泵压力脉动特性及叶轮径向力数值模拟3杨 敏1 闵思明2 王福军1(11中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083;21上海凯士比泵有限公司,上海200245) 【摘要】 为揭示双蜗壳离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k 2ω湍流模型,对一双蜗壳双吸离心泵进行了三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及双蜗壳内压力脉动情况,并对其进行了频谱分析。
结果表明双蜗壳内存在比较明显的压力脉动。
设计工况下压水室内的压力脉动强度小于非设计工况。
在设计工况下,隔舌处和隔板区压力脉动频率均以叶片通过频率为主,其中隔板起始端的脉动幅值最大,约为隔舌处的215倍。
在大流量工况下,隔舌处和隔板起始端压力脉动频率以叶片通过频率为主,而小流量工况下以叶轮转频为主。
叶轮受到的径向力随着叶轮的旋转呈现不稳定性,其中小流量工况时最明显。
3种工况下径向力均指向隔板起始端侧。
关键词:双蜗壳泵 压力脉动 径向力 数值模拟中图分类号:TH311;TV13113+3文献标识码:ANumerical Simulation of Pressure Fluctuation and R adial Force in a Double Volute PumpYang Min 1 Min Siming 2 Wang Fujun 1(11College of W ater Conservancy &Civil Engineering ,China A gricultural U niversity ,Beijing 100083,China 21KSB S hanghai Pum p Co.,L td.,S hanghai 200245,China )AbstractThe three 2dimensional ,unsteady Reynolds 2averaged Navier 2Stokes equations with shear stresstransport turbulent (SST )models were solved to investigate the flow field and the characteristic of pressure fluctuations in the double volute.The results show that the pressure fluctuations are strong in the double volute.The pressure fluctuations in the volute are relatively low at the design flow rate condition.The blade passing frequency dominates the pressure fluctuations near the volute tongue and the clapboard at the design flow rate condition.The amplitude of the pressure fluctuation is largest at the beginning of clapboard ,which is 215times larger than at the volute tongue.At the large flow rate condition ,the blade passing frequency is also dominative in the pressure fluctuations ,but at the small flow rate condition the rotation frequency becomes dominative.The radial force on the impeller is unsteady especially at the small flow rate.At three flow rates ,the radial forces all point at the beginning of clapboard.K ey w ords Double volute pump ,Pressure fluctuation ,Radial force ,Numerical simulation收稿日期:2008212205 修回日期:20092042273国家自然科学基金资助项目(50779070)和北京市自然科学基金资助项目(3071002)作者简介:杨敏,博士生,主要从事水动力学与水力机械研究,E 2mail :minyang.cau @通讯作者:王福军,教授,博士生导师,主要从事水动力学与水力机械研究,E 2mail :wangfj @ 引言双蜗壳结构是一种重要的泵蜗壳型式,每个流道包围叶轮出口180°,可以使叶轮流动更加对称,平衡运行时作用在叶轮上的径向力,延长轴承、轴封和口环的使用寿命,因而在高扬程离心泵机组中获得应用。
但目前对双蜗壳的研究还很少,其隔板的位置和形状对蜗壳内的速度场以及压力脉动特性的影响还不明确,因此研究双蜗壳内部流动规律对提高这类离心泵运行稳定性有重要意义。
目前,对于离心泵蜗壳内部流场压力脉动的研究可采用试验方法和数值方法[1]。
试验方法被认为是最直接、最可靠的方法,国内外很多学者对于泵内流体诱发的压力脉动进行了试验研究[2～4]。
Jorge L [2]测量了普通蜗壳内的压力脉动,发现隔舌与叶轮的相互作用在蜗壳压力脉动和产生噪音方面有重要作用。
但如果对双蜗壳隔板区域的压力脉动进行测量,则因隔板的存在而必须采用接触式测量,这势必会对内部流场产生干扰,影响试验的准确度。
随着计算流体力学的发展,考虑叶轮与蜗壳耦合作用的整机流场的数值模拟得到广泛应用[5～7]。
G onzalez [5]通过试验和数值模拟方法对离心泵的压力场进行研究,并将数值结果与试验值进行了比较,表明数值模拟方法可在很大流量范围内成功地获得叶片通过频率下的压力脉动幅值,从而验证了采用数值模拟方法研究离心泵压力脉动特性的可行性。
K itano Majidi [6]对离心泵内部流场进行了数值模拟,指出叶轮和蜗壳内流动的非稳定特性呈现周期性,在叶轮出口和蜗壳内的压力脉动较强。
但到目前为止,尚无对双蜗壳内的压力脉动特性进行数值研究的文献报道。
本文采用雷诺时均方法(RANS )[8],对包括半螺旋形吸水室、叶轮和双蜗壳压水室在内的双吸离心泵全部过流部件流场进行整体非定常数值模拟,将泵的外特性的计算值与试验值进行比较,对泵内的压力脉动特性,特别是蜗壳隔舌处和双蜗壳隔板区压力脉动情况进行重点分析。
1 计算模型计算对象是一台双蜗壳双吸离心泵,泵的进出口直径分别为800mm 和600mm ,叶轮出口直径D 2=250mm ,叶片数z =7,转速n =750r/min ,设计流量Q d =11725m 3/s ,设计扬程H d=11315m 。
其双蜗壳结构如图1所示。
图1 双蜗壳结构及监测点的设置Fig.1 Double volute and pressure monitoring locations计算域包括吸水室、叶轮和压水室3部分。
为了使用第二类边界条件,计算域对双吸离心泵的进出口进行适当延长(吸水室进口延长018m ,压水室出口延长115m )。
由于几何结构比较复杂,采用了对复杂边界适应性强的非结构化四面体网格对计算域进行网格划分,在叶片周围、吸水室和压水室的隔舌及隔板处,进行网格加密,网格总数为1218762个网格单元。
计算域及网格划分结果如图2所示。
图2 计算区域及网格Fig.2 Computational domain and unstructured mesh鉴于SST k 2ω湍流模型的优点是低雷诺数条件下的近壁处理,由于不涉及k 2ε模型中需要的复杂非线性衰减函数,因而对分离预测的准确度更高[9],本文采用湍流模型为SST k 2ω模型。
其具体形式为[10]5(ρk )t +5(ρU i k )x i=P k -β′ρkω+55x i (μ+σk μt)5k5x i(1)5(ρω)t +5(ρU i ω)5x i =55x i (μ+σωμt )5ω5x i+αρS 2-βρω2+2(1-F 1)ρσω21ω5k 5x i 5ω5x i(2)定义α=F 1α1+(1-F 1)α2,其中α1代表标准k 2ω模型,α2代表变形后的k 2ε模型。
其中F 1为一混合函数F 1=tanhmin max k β′ωy ,500νy 2ω,4ρσω2k D +ωy24(3)D +ω=max 2ρσω21ω5k 5x j 5ω5x j,10-10(4)其中涡粘系数定义为νt =a 1kmax (a 1ω,S F 2)(5)F 2=tanh max 2k β′ωy ,500νy 2ω2(6)模型参数为:β′=0109,α=5/9,β=01075,σk 1=0185,σω1=015,α2=0144,β2=010828,σk 2=1,σω2=01856。
在计算域进口给定流量,出口给定平均压力;鉴于该双吸泵加工精度较高,假设壁面为水力光滑壁面,并按对数律给定无滑移边界条件;采用“瞬态冻48农 业 机 械 学 报 2009年结转子法”处理叶轮与蜗壳间动静耦合流动的参数传递[11]。
为获得足够分辨内部流场的非定常信息,将时间步长选为转动周期1/100,即010008s [12]。
采用稳态RANS 计算结果作为非定常计算的初始流场,采样时间为10倍的叶轮旋转周期。
在数值模拟过程中选择的5个典型工况分别为Q/Q d =016、018、110、111和112,用于记录压力脉动瞬时值的监测点布置方案如图1所示,其中在蜗壳壁面上设置了7个监测点,隔板两侧共设置7个监测点。
2 泵的能量特性与速度分布结果211 能量特性预测计算得到了泵的流量2扬程曲线和流量2效率曲线,该曲线是一个旋转周期内100个时间步的数值的平均结果,如图3所示,并与试验数据进行了比较。
图中扬程系数ψ和流量系数<定义为[13]ψ=gH/(u 22/2)(7)<=Q/(πD 2b 2u 2)(8)式中 u 2———叶轮出口处的圆周速度图3 水泵性能曲线的试验值与计算值对比Fig.3 Comparison of the performance curves从图3可以看出,预测结果和试验结果吻合良好。
其中,扬程的计算值比试验值偏高,设计流量时相对误差为219%;效率计算值比试验值偏低,设计流量下相对误差为119%。