基于CFD仿真的齿轮泵流动特性研究
基于数值模拟的非圆齿轮泵流量分析及优化
基于数值模拟的非圆齿轮泵流量分析及优化曾庆敦;黄佳兴;容亮湾【摘要】In order to reveal the pulsation law of pressure and flow rate for a new kind of non-circular gear pump on the basis of oval gears used as working components, the true three-dimension unsteady numerical simulation of ex-ternal non-circular gear pump is successfully implemented by the use of the dynamic mesh technique in the software Fluent.The pressure and flow fluctuations of oval gear pump are captured, and the flow field distribution, the law of pressure differences at mesh points and the law of outlet flow rate are obtained.Unexpectedly, the flow and pressure fluctuations of oval gear pump are larger than those of normal gear pumps although the flow increases as we wish, which can hardly meet the practical needs.In order to reduce the flow fluctuations, two identical pumps are used to compose a parallel gear pump in structure which makes the fluctuations of two pump outputs compensate each other.Another simulation of the parallel gear pump proves that the flow fluctuation has a decrease of 56 per-cent, compared with the mono-bloc unit oval gear pump.Therefore, the new parallel gear pump is much more wor-thy in practical application.%为揭示一种基于卵形齿轮作为工作元件的新型非圆齿轮泵的压力变化及流量脉动规律,运用Fluent动网格技术,成功实现了外啮合非圆齿轮泵的真正三维非稳态数值模拟.捕获了卵形齿轮泵压力及流量波动,得到了流场分布情况及啮合处压力差和出口流量的变化规律.发现卵形齿轮泵比圆形齿轮泵的流量虽然有较大的提升,但其流量波动也较大,难以满足实际应用的需求.为降低流量波动,提出利用两组一样的卵形齿轮并联装配的优化方案来实现流量补偿.对并联卵形齿轮泵的数值模拟分析表明,其流量脉动比单组卵形齿轮泵降低了56%.可见,该新型并联泵具有更大的实用价值.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(046)002【总页数】7页(P1-7)【关键词】齿轮泵;动网格技术;数值模拟;卵形齿轮;流量特性【作者】曾庆敦;黄佳兴;容亮湾【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TH137.51近些年，卵形齿轮泵逐渐被开发应用，因为卵形齿轮泵不但继承了圆形齿轮泵的优点[1]，而且还具有大排量的特点，很好地弥补了圆形齿轮泵流量不足的缺点.此外，该泵还可用来输送具有腐蚀性的或黏度较大的液体及半流体介质，具有广阔的潜在应用前景.非圆齿轮泵的设计空间大，但其工作过程复杂.国内外研究学者在齿轮泵的流量特性、困油特性以及结构优化等方面进行了一些研究.孔繁余等[1]研究了齿轮齿数、压力角、负载压力、以及齿轮径向间隙对流量脉动的影响，为设计改善齿轮泵流量脉动提供了理论基础.Houzeaux等[2]、Voorde等[3]、Riem-slagh等[4]应用动网格技术处理圆形齿轮泵啮合过程中计算域随时间变化的问题，成功模拟了齿轮泵的啮合过程，为基于动网格的齿轮泵内部流场模拟提供了实践可能性.张军等[5]尝试推导非圆齿轮泵的流量公式，从理论上分析了非圆齿轮泵的流量特性.非圆齿轮泵的齿轮设计参数计算过程复杂，在齿轮传动中，传动比是一个变量，导致优化功能难以实现，传统的经验计算难以获取非圆齿轮泵的流量特性规律.文中采用数值模拟方法，运用Fluent软件对卵形齿轮泵内部流场进行三维的动态数值模拟，将CFD(计算流体动力学)动网格技术应用于非圆齿轮泵的流场仿真，对泵的进口、出口、啮合处、主动轮、从动轮封闭齿域的压力特性进行全面的分析，旨在揭示卵形齿轮泵压力变化与流量脉动的基本规律及卵形齿轮泵内部的压力特征，可为获取非圆齿轮泵流场压力分布规律、增大流量、减小流量脉动等提供依据.1 卵形齿轮泵流量的常规计算1.1 理论流量计算本研究采用的非圆齿轮泵为单副卵形齿轮泵，图1示出了该泵容积腔(忽略齿顶高)的轴向投影.其中，主动轮、从动轮的转动角速度分别为ω1和ω2，主、从动轮的输油腔体积分别为T1和T2.图1 卵形齿轮泵轴向投影Fig.1 Axial projection of oval gear pump由几何关系可知，卵形齿轮的节线方程为(1)式中：A表示中心距O1O2的一半；r1、r2分别表示齿轮1、2的节线极径；k表示离心率；主动轮转过的角度φ=ω1t，t为时间.当主动轮转动一周，从动轮也恰好转动一周，可知泵转动一周的排量等于工作转子副扫过的容积减去转子的体积，则有Q=(2R2-2S)B(2)式中，Q为卵形齿轮泵单转排量，R为容腔半径，B为工作转子厚度，S为单个工作转子的横截面积.2R2B即为工作转子副扫过的容积.其中，单个工作转子的横截面积S可用积分法计算，即：(3)由文献[6]可知，卵形齿轮节线围成的面积和相同离心率的椭圆面积相等，即：S=(4)可见，当k值越大，S越小，泵排量越大，说明新型泵还可通过调整工作齿轮长短轴的大小来实现不同排量的系列泵.对于卵形齿轮：k≤1/3，则取k=1/3，下同.对于圆形齿轮泵，排量计算公式如下：Q0=2Zm2B(5)式中：Z为圆形齿轮齿数；m=2R/Z为齿轮模数.为比较卵形和圆形齿轮泵的排量(见图2)，此处取排量增量百分比为η=Q/Q0-1，由式(2)和(5)可得η=(13Z/64)-1(6)通常，圆形齿轮泵的齿数Z=6～20，则对应的排量增量百分比η=29%～138%.可见，相比圆形齿轮泵，卵形齿轮泵对排量的提升非常可观.图2 相同容腔中卵形齿轮泵与圆形齿轮泵排量的对比示意Fig.2 Flow contrast of oval and circular gear pumps at the same cubage cavity1.2 理论瞬时流量计算不同于圆形齿轮泵，卵形齿轮泵的工作转子转动一周只经历两个周期，其瞬时流量跟齿轮转动位置有关，在主动轮做匀速转动，从动轮做变速转动的情况下，卵形齿轮泵的瞬时流量Qst可由下式计算得到[5]：(7)其中，a为卵形齿轮的长半轴，b为短半轴，t′为转动过的时间.该式将为数值模拟提供对比依据.通过上述两种方法可以分别计算出非圆齿轮泵的理想平均流量以及理论瞬时流量，得知该非圆齿轮泵流量相比圆形齿轮泵得到了很大的提高，但由于没有考虑齿轮泵的流量泄露和流量脉动，所以可通过数值模拟进一步获取非圆齿轮泵的流量特性.2 单对卵形齿轮泵的计算模型2.1 卵形齿轮泵计算模型参数依据工程实际，卵形齿轮泵的主要参数见表1，图3为卵形齿轮的节线.表1 卵形齿轮泵的主要参数Table 1 Basic parameters of oval gear pump参数数值参数数值齿数Z1,Z226模数0.3235压力角α/(°)20齿顶高系数h*a1顶隙系数c0.25实际中心距a/mm8.15齿宽b/mm5.8偏心率k0.333液体密度/(kg·m-3)988粘性系数/(Pa·s)1.0087×10-3主动齿轮转速ω1/(r·min-1)780图3 卵形齿轮节线Fig.3 Pitch curves of oval gear设主动轮和从动轮的传动比为i，则(8)传动比曲线如图4所示.图4 传动比曲线Fig.4 Transmission ratio curves由式(8)可得到从动轮的转动角速度与主动轮转动角速度的关系：(9)2.2 计算网格、边界条件及控制方程因为复杂的外形流场区域需要足够分辨率的计算网格，文中采用自适应网格技术[7- 8].当齿轮转动幅度较大时，卵型与圆形齿轮的不同在于卵型齿轮需要转半个周期才能回到初始几何状态，而圆形齿轮只需要转过一个齿的角度就可以回到原几何状态，所以卵形齿轮泵模型网格需要进行齿轮整体的网格节点移动.另外，齿轮泵在齿尖与腔体间有狭小的缝隙，且齿轮间啮合时也有跨量级大小的缝隙.这些缝隙都需要进行局部加密.将建立的齿轮泵计算模型导入Workbench进行前处理，建立流体计算区域.初始网格共532 352个单元，如图5所示.图5 网格模型Fig.5 Mesh model齿轮表面和容腔表面设置为固体壁面无滑移边界条件，进口条件设为压力进口，出口设为自由出口，运用自定义函数(UDF)将各齿轮的齿廓设为运动边界.程序如下：#include "udf.h"#define PI 3.141592654DEFINE_ZONE_MOTION(gear1_motion,dt,vel,omega,time,dtime) {omega[2] =26*PI;}DEFINE_ZONE_MOTION(gear2_motion,dt,vel,omega,time,dtime) {omega[2] =-26*PI*(1-1/3.0*1/3.0)/(1+1/3.0*1/3.0-2*1/3.0*cos(2*26*PI*time));}最后采用N-S(Navier-Stokes)方程来模拟非圆齿轮泵的内部流动，同时应用RNS κ-ε湍流模型[9- 11]来封闭方程组，压力和速度耦合方式选用 SIMPLE 算法进行非定常求解[12].3 单对卵形齿轮泵的模拟结果3.1 腔体中截面内部的速度分布图6示出了主动轮不同转动角度下(主动轮为匀速转动)不同时刻腔体中截面内部的流体速度分布.由图可知，不同时刻腔体的流体流动状态有一定差异，并按照一定规律进行变化.由于转动的齿轮会对一开始静止的液体挤推，一开始在啮合处两侧产生较大尺度涡旋，并在啮合处的齿端壁面出现回流(见图7).随着齿轮转动角度变化，吸油腔扩大进行吸油，排油腔压缩进行排油，在此过程中转动的齿轮会对出入口的直线流有侧推作用，所以一开始尺寸较大的涡旋逐渐变小但不会消失，并趋于上下运动分布稳定[13].仿真计算一定时间后，流体趋于相对运动分布稳定.图6 不同转动角度时腔体内部的流体速度分布情况Fig.6 Fluid velocity distribution inside cavity at different rotation angles图7 齿轮啮合处的速度矢量场Fig 7 Velocity vector field at gear mesh3.2 腔体中内部流场的压力场图8示出了不同时刻腔体中截面内部的压力分布情况.可以发现，由于齿轮的推动，吸油腔与排油腔始终存在一定的压强差，在齿轮与腔体密封处以及齿轮啮合处形成急剧变化的压强差[14].图8 不同转动角度时腔体截面内部的压力分布情况Fig.8 Pressure distribution in cross section of cavity at diffe-rent rotation angles图9示出了压强值在从入口到出口中截面的分布情况.通过对中截面压强分布情况的观察，发现最高的压差出现在齿轮啮合处.这是由于齿轮泵啮合过程中出现闭死容积的作用，使得封闭容腔内的压力急剧升高，过高的压强差将会使齿轮运转不稳定，也可能会出现汽蚀现象[15].通过对每一时刻求解啮合处的压强差Δp，得到啮合处压强差随齿轮转动一圈的变化规律，如图10所示.由于啮合处的压强差在齿轮泵工作时难以测量，通过获得其波动规律，能够获得非圆齿轮泵齿间困油程度的评估指标；这将非常有助于对非圆齿轮泵齿轮的噪声和寿命进行控制.由图10可知，转动一周啮合处压强差也具有周期的波动，最大值出现在主动轮长轴齿和从动轮短轴齿垂直啮合的时候，周期为主动轮每转半周，最大压强差为3 500 Pa.图9 中截面压强值分布Fig.9 Pressure value distribution of middle cross section图10 啮合处压强差曲线Fig.10 Pressure difference curve at engagement position3.3 出口流量脉动图11为出口流量速度曲线.从图11可见，出口流速曲线变化趋势与啮合处压强差变化趋势相同，瞬时流量模拟曲线与式(7)计算出的理论曲线基本吻合，误差不超过5%.通过该变化趋势可以发现：与圆形齿轮泵相似，卵形齿轮泵也具有流量波动.定义流量波动率γ为瞬时流量最大值Qmax和最小值Qmin之差与平均值Qave 之比：(10)将图11中数据代入式(10)可得脉动率γ=(8.002-4.302)/5.42≈68%，该结果说明该齿轮泵流量波动率过高，可以进一步对卵形齿轮泵的流量脉动进行优化.图11 出口流量速度曲线Fig.11 Velocity curves of outlet flow4 并联卵形齿轮泵4.1 优化方案由第3.3节的结果可知，单对卵形齿轮的齿轮泵工作时流量波动率偏高，文中采用增加一对卵形齿轮垂直放置的方法进行排量错位补偿[16- 17]，从而达到减小流量波动率的优化目标.如图12所示：将原齿轮泵上下均分为两个子泵，中间用隔板隔开；两个子泵的吸油腔与排油腔分别是连通的，将两个泵中的主动轮错开垂直安装.由于流速最大值出现在主动轮长轴齿和从动轮短轴齿啮合的时候，所以上下腔的峰值也随着错开，达到了互相补偿的效果，从而减少了流量脉动.图12 并联卵形齿轮泵的实体模型Fig.12 Solid model of parallel oval gear pump4.2 内部流体分布图13示出了整体流线分布情况，由于上下吸油腔与排油腔连通，形成互相补偿，啮合处两端形成的涡旋尺寸减小，从而减小了流场的耗散，齿轮泵的工作效率得到提高.图13 并联卵形齿轮泵的整体流线图Fig.13 Overall streamline of parallel oval gear pump由图14可看出：转动一周流量脉动由原来的主动轮每转半周一个周期缩减为主动轮每转四分之一周一个周期，且走势更为平稳；峰值也有所降低，同时平均流量没有明显的改变，可得流量脉动率γ′=(6.873-5.202)/5.42≈30%，比单组齿轮泵下降了56%，可见流量波动得到很大的改善.图14 单对卵形齿轮泵和并联卵形齿轮泵的出口流速对比Fig.14 Comparison of outlet flow velocity of a pair of oval gear pump with that the parallel oval gear pump5 结论通过建立非圆齿轮泵的三维流体模型，采用基于动网格的非圆齿轮泵流场的数值模拟方法模拟出非圆齿轮泵流体压力与流量的瞬时变化，可得到以下结论：(1)腔体内流体速度随时间的增加趋于相对稳定，吸油腔与排油腔始终存在压强差；提取出了齿轮啮合处压强差的动态周期脉动规律.(2)出口流量速度曲线与理论值吻合，齿轮啮合处压强差具有相似的周期波动，峰值出现在主动轮长轴齿和从动轮短轴齿啮合的时候，周期为主动轮每转半周. (3)使用并联卵形齿轮泵能够减小流量脉动，该新型非圆齿轮泵相比单对卵形齿轮泵工作效率提高，流量脉动下降56%，优化效果显著.参考文献：[1] 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,2014,32(2):108- 112.KONG Fan-yu,HE Yu-yang,ZHENG De,et al.Analysis of influence factors on flow rate characteristics in gear pump [J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2014,32(2):108- 112.[2] HOUZEAUX G,CODINA R.A finite element method for the solution of rotary pumps [J].Computers & Fluids,2007,36(4):667- 679.[3] VOORDE J V,VIERENDEELS J,DICK E.Flow simulations in rotary volumetric pumps and compressors with the fictitious domain method [J].Journal of Computational and Applied Mathematics,2004,168(1):491-499.[4] RIEMSLAGH K,VIERENDEELS J,DICK E.An arbitrary Lagrangian-Eulerian finite-volume method for the simulation of rotary displacement pump flow [J].Applied Numerical Mathematics,2000,32(4):419- 433.[5] 张军,刘家华.椭圆齿轮转子泵的流量特性研究 [J].机械传动,2003,27(2):16- 18. 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基于PUMPLINX的齿轮箱甩油CFD模拟专题资料集锦(二)
系进行了强度分析,为斜齿轮系统的进一步设计和研究奠定了基础。
噪声分析软件Actran算例—格林分析法计算齿轮箱振动噪声辐射.zip 噪声分析软件Actran算例—格林分析法计算齿轮箱振动噪声辐射
基于ANSYS的渐开线斜齿轮的弯曲强度有限元分析和开发.pdf 基于ANSYS自带的APDL语言，并利用VB6.0编程语言，针对汽车变速箱中渐开 线斜齿轮的特点开发出相应的前处理辅助程序。在友好的图形界面的程序中 ，只需输入一对相互啮合齿轮的齿数、模数、压力角、螺旋角、变位系数、 载荷大小等基本参数，就可以自动完成对斜齿轮轮齿的参数化建模、网格划 分，施加约束和载荷，分析计算等。通过此程序完成参数化建模的轮齿的三 维有限元前处理，极大地简化了斜齿轮弯曲强度三维有限元分析的处理过程
。
拖拉机齿轮泵的轮齿应力分析及优化设计 拖拉机是现代农业生产过程中不可替代的动力机械，在农业生产中发挥着重 要的作用。齿轮泵作为拖拉机上液压系统的加压元件，它的工作状态和性能 直接影响着拖拉机的工作性能。为提高齿轮泵的工作性能，以拖拉机齿轮泵 为研究对象，综合运用CAD/CAE现代设计方法对CB-32齿轮泵进行优化设计及 有限元分析。
用数值仿真方法,研究油浴润滑的齿轮箱内部流场、齿轮对流换热及齿轮温度
场。
高速渐开线斜齿圆柱齿轮齿廓修形技术研究.pdf 高速渐开线斜齿圆柱齿轮啮合频率高且传递功率大,为使高速齿轮箱平稳运行 ,减少由于轮齿受载变形和制造安装误差引起的啮入、啮出冲击,降低齿轮箱 运行噪声并改善其润滑状态,齿廓修形十分重要。利用Pro/E软件建立斜齿轮 啮合模型,通过接口程序,将模型导入ANS数。经验证,修形后的齿轮等效应力峰值略有上升,而 接触应力峰值大幅降低,且消除了干涉,提高了高速齿轮传动的平稳性。
基于CFD新型喷射泵内流场数值分析
基于CFD新型喷射泵内流场数值分析CFD新型喷射泵内流场数值分析CFD，即计算流体动力学，是通过数值方法对流体流动、传热、传质等问题进行数值模拟和预测的一种工程计算方法。
在工程领域中，CFD已成为一种不可或缺的工具，可以有效优化产品设计和生产过程。
新型喷射泵是一种高效节能的流体输送设备，广泛应用于工业生产过程中。
为了更好地优化和设计新型喷射泵，需要对其内部流动情况进行研究和分析。
基于CFD技术，可以通过建立新型喷射泵的数值模型，进行内部流场数值分析，从而找到最佳设计方案。
喷射泵的结构特点是利用液流物理效应通过层层喷嘴剥离出中央空气区域，形成低压区，从而实现吸入液体的目的。
对于新型喷射泵，其内部流场情况往往较为复杂，因此需要精细模拟和分析。
在进行数值模拟前，需要对新型喷射泵的几何结构和工作条件进行建模。
通过建立三维几何模型，并设置边界条件和工作参数，可以得到新型喷射泵内部流场的数值模拟结果。
通过数值模拟，可以分析得到新型喷射泵内部流场的速度、压力和液体浓度分布等信息。
在分析过程中，需要注意如何选取合适的网格质量和算法，以保证数值模拟的精度和准确性。
在分析新型喷射泵内部流场后，可以进一步进行优化设计。
例如，优化喷嘴结构、液体注入量和气体流量等参数，以达到最佳的流动效果和输送性能。
这样不仅可以提高新型喷射泵的运行效率，还可以节省能源和减少生产成本。
综上所述，基于CFD技术对新型喷射泵内部流场进行数值分析，可以有效优化喷射泵的设计和生产过程，提高其运行效率和性能。
未来，随着CFD技术的不断发展和应用，在各行各业中，将会有更多的工程问题将得以通过CFD方法进行解决和优化。
由于缺少具体的新型喷射泵内部流场数值模型数据，以下将以一组流量为0.5 m³/h的喷射泵数据进行简要分析。
首先，通过数值模拟得出的新型喷射泵内部流速分布图，可以看出喷射泵的中心区域具有较低的流速，周围区域的流速则较高，这与喷射泵工作原理相符合。
基于CFD的柱塞泵动态性能仿真分析
１ 轴 向柱塞 泵 的结构特点
伴 随着 液压系统对 齿轮泵 高效率 、 高可 靠性 、 高功率密度 （ 高压 、
大排量） 的发 展要 求 ，柱 塞泵 额定 工作 压 力不 断提 高 ，高压或 超高 压柱 塞泵配 流过 程中 的油击 和噪 声 问题 已经 严重 限制 了柱塞 泵的 发
展ｌ ｚ 『 。
３ 基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 的轴 向柱塞 泵配流性 能分析
ａ）低 压 换 至 高压
１ ８ ７
咏 工案 捷术
电 子 技 术
信息物联 网在输变电设备在线监测中的应用
尹 成 ， 夏 云峰 ， 杨 武 （ 广 东电网有限责任公 司东莞供 电局 ， 广东 东莞 ５ ２ ３ ０ ０ ０）
槽深 ２ ｍｍ，卸 荷槽 对应 的 圆心角 为 ，分 别研 究无三 角形 卸荷槽 、
高至排 油压 力 ，同等油 液压 力的 液压 油接触 即不 会产生 油腔 内的油 液压力
均匀下 降至吸油 口油液压力 。
三角形卸荷 槽 ＝ １ ０ 。 、ａ ＝ ２ ０ 。时 ，轴向柱塞泵 的配 流特性 。
电 子 技 术
柬工案 技术
１ ８ ６
基于 ＣＦ Ｄ 的柱塞泵动态性能仿真 分析
尹锦锋 ， 杨 宏斌 ’ （ １ 河南 科技 大学 机电工程学院 ， 河南 洛 阳 ４ ７ １ ０ ０ ３ ；２平顶山工业职业技术学院 化 工学院 ， 河南 平顶 山 ４ ６ ７ ０ ０ ０）
基于CFD的柱塞泵动态性能仿真分析
基于CFD的柱塞泵动态性能仿真分析作者：尹锦锋杨宏斌来源：《山东工业技术》2015年第06期摘要：该文以轴向柱塞泵的配流盘为研究对象，运用CFD技术对配流盘结构和尺寸参数对泵内部液体的动力学特性以及泵的输出性能的影响进行研究，得到配流盘阻尼槽结构与柱塞泵流量脉动及压力冲击的参数化关系，仿真模拟证明了计算流体力学进行轴向柱塞泵动态性能仿真的有效性。
关键词：柱塞泵，配流盘，CFD技术，三角槽0 前言轴向柱塞泵具有体积小、传递功率大（高压力和高转速）、变量控制方便、效率高、寿命长等优点，因此在现代工程机械液压系统中，几乎都采用轴向柱塞泵作为油源[1]。
该文运用CFD技术成功地搭建了基于计算流体力学的轴向柱塞泵动态性能仿真模型。
分析了配流盘卸荷槽尺寸对柱塞泵性能的影响，对其结构的优化设计有重要意义。
1 轴向柱塞泵的结构特点伴随着液压系统对齿轮泵高效率、高可靠性、高功率密度（高压、大排量）的发展要求，柱塞泵额定工作压力不断提高，高压或超高压柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题已经严重限制了柱塞泵的发展[2]。
解决斜盘式轴向柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题的主要解决方案为：在高、低压腔间隔的闭死密封区开卸荷槽，使得转子上吸满低压油的工作腔在进入高压排油区的过程中，油液压力均匀升高至排油压力，同等油液压力的液压油接触即不会产生油击现象；同理，转子上的工作腔完成排油历程后，使得工作腔内的油液压力均匀下降至吸油口油液压力。
因此，为解决斜盘式轴向柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题，需研究配流盘的工作原理及其卸荷槽结构的设计方法。
2 建立轴向柱塞泵配流动态模型本模型的主要研究对象为轴向柱塞泵的配流盘结构和尺寸参数对泵内部液体的动力学特性以及泵的输出性能的影响，因此建模的重心放在配流盘的配流作用上[3]。
配流整体几何结构用UG建立，图1为轴向柱塞泵配流3D模型，模型设计为9柱塞式轴向柱塞泵。
3 基于Fluent的轴向柱塞泵配流性能分析运用网格划分软件对三角形卸荷槽区域的网格进行局部细化，以提高计算精度。
基于CFD方法的轮毂电驱动行星齿轮搅油功率损失仿真与分析
2023年第47卷第11期Journal of Mechanical Transmission基于CFD方法的轮毂电驱动行星齿轮搅油功率损失仿真与分析唐沛1王乐1任少英2李山山2（1 中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京100072）（2 河北科技大学车辆工程系，河北石家庄050091）摘要轮毂电驱动技术的研究是未来新能源驱动体系研究的重要方向。
随着轮毂电驱动对转速的要求越来越高，搅油功率损失成为不可忽略的部分，甚至高达功率总损失的50%~80%。
现有的计算搅油损失的方法主要是采用简单的经验公式，无法适用于复杂的行星齿轮传动。
为此，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件与C语言用户自定义函数（User Defined Function，UDF）对两级行星齿轮传动飞溅润滑进行联合仿真，实现了油-气两相瞬态流场可视化；通过提取表面的压力和黏性力，得到了太阳轮、行星轮及行星架的搅油损失；对25种工况进行仿真与分析，得到了搅油功率损失随转速和浸油深度的变化趋势。
结果表明，搅油功率损失随转速和浸油深度的增加而增大，且无明显的拐点，实现最小搅油损失应当在保证充分润滑的前提下取最小的浸油深度。
关键词行星齿轮搅油损失计算流体力学瞬态流场可视化用户自定义函数联合仿真Simulation and Analysis of Oil Churning Power Loss in Electric Drive PlanetaryGears Based on the CFD MethodTang Pei1Wang Le1Ren Shaoying2Li Shanshan2（1 State Key Laboratory of Vehicle Transmission, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China）（2 Department of Vehicle Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050091, China）Abstract The research on electric drive wheel technology is an important direction of the research on the new energy drive system in the future. With the increasing requirements of the electric drive wheel on the speed, the oil churning power loss has become a non-negligible part, even up to 50%-80% of the total power loss. The existing calculation method of churning loss mainly adopts simple empirical formula, which cannot be applied to complex planetary gear transmission. The splash lubrication of the two-stage planetary gear drive is simulated by computational fluid dynamics (CFD) software and C language user defined function (UDF), and the visualiza⁃tion of oil gas two-phase transient flow field is realized; by extracting the surface pressure and the viscous force, the churning loss of the sun gears, planet gears and planet carriers are obtained; the simulation and analysis of the 25 working conditions show that the churning loss varies with the immersion depth and speed; the results show that the oil churning power loss increases with the oil immersion depth and the speed, and there is no obvi⁃ous inflection point. To achieve the minimum oil stirring loss, the minimum oil immersion depth should be taken on the premise of ensuring full lubrication.Key words Planetary gear Oil churning loss CFD Fluid field transient visualization UDF Joint simulation0 引言轮毂电驱动大多采用行星齿轮传动的结构形式，其具有质量轻、效率高、运行平稳等诸多优点。
基于FLUENT的不同转速下的齿轮泵流体分析
8现代制造技术与裝备2017第3期总第244期基于FLUENT的不同转速下的齿轮泵流体分析周二杰1梁培生u(1.江苏科技大学机械工程学院，镇江212003; 2.中国农业科学院蚕业研究所，镇江212018)摘要：齿轮泵在工业生产和实际生活中应用非常广泛，因此对齿轮泵性能的分析非常重要。
本文基于 FLUENT软件，参数化建立齿轮泵二维模型，导入FLUENT中进行齿轮泵流场求解计算，分析不同转速下齿轮泵内部流场压力、转速、脉动、噪声等的变化，认为选择合理转速有助于提高齿轮泵性能和寿命，为齿轮泵的分 析和优化奠定了基础。
关键词：齿轮泵流场分析转速FLUENT引言齿轮泵结构简单、加工方便、体积小、重量轻、自吸 能力强、对油液污染不敏感，被广泛应用于冶金、航空、采矿等行业中。
目前，农用齿轮泵主要为外啮合渐开线圆 柱齿轮组成。
齿轮泵的主要工作原理是靠齿轮旋转时泵内 密封体积的变化来完成吸油和压油的。
而齿轮泵流场是齿 轮泵工作中最为重要的部分，齿轮流场分析直接关系着齿 轮泵的整体性能和寿命。
在齿轮泵工作中，齿轮泵的参数、负载、转速等，对 齿轮泵的运行性能都会有一定影响。
有学者研宄了转速和 中心距对齿轮栗内部流场的影响，提出设计时选用稍大的 中心距可以降低困油区压力的观点。
本文主要在不同转速 情况下，对齿轮泵内部流场进行数值模拟和求解分析，得 到齿轮泵转动过程中的压力场、速度场、流量脉动等分布 规律，并对齿轮泵泄露、流量脉动、噪声等进行分析，为 齿轮泵的优化设计和应用提供参考。
为运动边界，旋转运动，设置转速（例：500r/min=53rad/s)，旋转中心坐标为x=0，y=0。
右边齿轮转速方向与左边齿轮 相反，旋转中心左边为x=42，y=0。
打开动网格，并选择弹 性光顺法和局部网格重划分，可避免边界网格移动过大出 现畸变或网格面积为负的情况。
图2齿轮泵流场网格模型图求解参数设置，初始化流场，设置残差监视器，动画 记录，迭代计算，最后得到结果进行后处理。
摆线泵CFD模拟分析
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性，为产品设计提供理论依据。曩
ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化．ｗｗｗ．ｉｄｎｏｖｏ．ｔｏｍ．ｃｎ的ｋ一８湍流模型和标
准的壁面方程，
“压力一速度”的耦合采用非结构网格的
ＳＩＭＰＬＥＣ算法，采用“压力入口＋压力出口”的边界条件。 泵内工质为５Ｗ３０发动机润滑机油，工作温度为ｌ ２０ｃｃ，其密 度为８５０ｋｇ／ｍ３，动力粘度为０．００５１
Ｐａ・Ｓ。
流量为１４．ＯＬ／ｍｌｎ，与ＣＦＤ计算所得１４．４７咖１ｎ较为接近，误
０００ｒ／ｍ１
蹬１１
９
７
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、
＼
＼
８００ ９００
ｎ、出口压
０
１００
２００
３００
４００
５００
６００
７００
出口压力ｃ衰压，（”ａ）
力１ ５０ｋＰａ－ｌ－况下，摆线泵壁面速度分布情况。
五、结语
通过ＦＬＵＥＮＴ软件的动网格功能，可以精确计算摆线泵 的流场及流量特性。将Ｃ Ｆ Ｄ模拟分析与理论计算和试验研究 相结合，能更有效地了解摆线泵的流量特性与泵内部流动特
万方数据
ｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
４７摆线泵壁面速度分布情况
四、ＣＦＤ计算结果与理论计算试验结果对比
摆线泵理论流量近似计算公式为ｇ＝石如２一岛２）Ｂｎｊｏ－‘， 其中ｎ为内转子齿顶圆半径，岛为内转子齿根圆半径，占为 转子的宽度，强为内转子转速（ｒ／ｍ１ ｎ）。根据所获得的相 关数据，计算该摆线齿轮在转速１ ０００＃ｍ １ ｎ１１１况下的理论排 量为２０．８Ｌ／ｍｉｎ。 摆线泵的流量特性曲线如图８所示。转速１ ０００ｒ／ｍ
差较小，验证了摆线泵ＣＦＤ计算结果的可靠性。
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基于CFD仿真的齿轮泵流动特性研究导言：
齿轮泵是一种常见的液压传动装置，广泛应用于工程机械、航空航天和汽车工业等领域。
齿轮泵的流动特性直接影响其工作效率和性能稳定性。
为了进一步优化齿轮泵设计和提高其工作性能，研究者们运用计算流体力学（CFD）仿真技术对齿轮泵的流动特性进行研究。
本文将着重讨论基于CFD仿真的齿轮泵流动特性研究的相关背景、方法和结果。
一、背景介绍
齿轮泵是一种以齿轮传动为基础的液压泵，通过旋转齿轮将液体从吸入端输送到排出端。
齿轮泵普遍应用于液压系统中，其工作效率和性能稳定性对整个系统的运行起着重要影响。
然而，传统的实验方法难以实现对齿轮泵内部流动的直接观测和分析，因此需要借助CFD仿真技术。
二、基于CFD的齿轮泵仿真方法
1. 几何建模
齿轮泵的几何形状和大小对流动特性有着重要影响。
在CFD仿真中，首先需要将齿轮泵的几何形状进行建模，最常用的方法是基于计算机辅助设计（CAD）软件绘制齿轮泵的三维模型。
然后，利用CFD建模软件对齿轮泵进行网格划分，划分合适的网格可以保证仿真结果的准确性和稳定性。
2. 流体力学模型
齿轮泵的流体力学模型是基于Navier-Stokes方程组和连续性方程。
通过假设流体为不可压缩、粘性流体，并引入相应的边界条件，可以建立适用于齿轮泵的流体力学模型。
同时，考虑到齿轮泵内部的旋转部分，需要引入动网格技术。
3. 边界条件和初始条件
仿真中的边界条件和初始条件的设置对流动特性的仿真结果具有重要影响。
一般来说，吸入端设置为固定速度，排出端设置为静态压力出口，齿轮表面则设置为无滑移壁面。
对于初始条件，可以采用稳态或者暂态条件进行仿真。
4. 数值求解
通过对Navier-Stokes方程组进行离散化处理，利用隐式或显式数值求解方法，可以求解得到齿轮泵内部的流动速度、压力和温度等参数的分布情况。
求解过程可以通过CFD仿真软件来实现。
三、基于CFD的齿轮泵流动特性研究结果
通过CFD仿真技术，研究者们可以得到齿轮泵的流动速度、流量、压力和温度等参数的分布情况，进而分析其流动特性和性能。
研究结果发现，齿轮泵的最大流量和最大效率可以通过调整齿轮参数、减小齿轮间隙和调整齿轮间的相位差等方式进行优化。
进一步的研究表明，齿轮泵的流动特性与流入速度、工作温度、齿轮形状和液体黏度等因素密切相关。
研究者们通过改变齿轮弧度、齿轮剖面、减小流道直径和增加齿轮数等方式，进一步改善了齿轮泵的流动特性和性能。
结论：
基于CFD仿真的齿轮泵流动特性研究为优化传统齿轮泵的设计和改进提供了重要的理论依据和技术支持。
通过准确模拟和分析齿轮泵内部复杂的流动特性，研究者们能够深入了解齿轮泵的工作机理和流体动力学行为，为进一步提高齿轮泵的工作效率和稳定性提供了指导。
随着仿真技术的不断发展和计算能力的提高，基于CFD的齿轮泵流动特性研究将在未来得到更加广泛的应用。
（本文约3200字，仅供参考）。