基于CFD和FSI的摆线泵仿真分析

双螺杆泵

2023年6月25日 14:53

本栏目旨在不拘泥于内容的限制，以点带面，介绍流控领域不同的研究方向、课题以及优秀的作者和团队，为广大读者及研究人员提供新鲜的研究思路，为作者及团队提供展示平台。

本期为各位读者推荐《基于CFD和FSI的摆线泵仿真分析》，并向各位读者介绍该课题的研究背景、取得成果以及研究团队。

基于CFD和FSI的摆线泵仿真分析

黄龙龙，王艳华，刘勇，徐劲松

摘要：目前在摆线泵数值模拟方面，多数研究基于CFD对不同运行工况（如转速、温度等）下的泵进行分析，未考虑在流固耦合（Fluid Structure Interaction，FSI）作用下泵的特性。首先基于COMSOL软件建立了摆线泵的模型，对旋转域采用动网格技术，流固耦合界面进行设置，设置相应的边界条件后对泵进行CFD和FSI仿真，并与试验结果进行对比。结果表明：FSI的仿真的流量平均值均更接近试验的结果，FSI出口处流量脉动率最大；FSI和试验的出口压力平均值均低于CFD的仿真值，且CFD和FSI的压力均值更接近实际出口边界设置。通过对比内外转子间流体域某一截面速度和压力得出：在吸油区域计算得到的负压CFD大于FSI，计算得到的速度CFD小于FSI；在排油区计算得到的正压力CFD大于FSI，计算得到的速度CFD小于FSI的结果。在内外转子与流体耦合界面某点处CFD的压力随时间的波动值均大于FSI的压力值。通过对比发现耦合对计算结果有很大的影响，对泵进行流固耦合分析使得分析结果更加真实，更有利于对泵的流场和转子动力学特性进行分析。

关键词：摆线泵；CFD；流固耦合（FSI）；数值模拟

研究背景

内啮合摆线齿轮泵结构紧凑、体积小、流量大、运转平稳、不易产生“气穴”、容积效率较高等优点而广泛应用于化工、机械、食品、纺织等行业中。对摆线泵的啮合特性流量特性、运动特性以及泵的容积效率、机械效率等基本特性的研究是提高摆线泵质量的关键所在。

课题研究成果

图1 FSI模型建立

图2 流体和固体耦合界面设置

图3 试验、CFD和FSI出口瞬时流量

图4 试验、CFD和FSI出口瞬时压力

图5 CFD和FSI旋转域某截面压力分布对比分析

图6 内外转子表面最大压力分布

图7 不同时刻内外转子应力分布

图8 进油腔截面处压力分布

图9 优化后摆线泵模型图

图10 1500 r/min时优化前后进口瞬时流量

图11 1500 r/min时优化前后进口瞬时压力

图12 3000 r/min优化前后进口流量对比

图13 3000 r/min优化前后进口压力对比

课题总结和展望

课题将摆线泵CFD仿真与流固耦合相结合，并试验验证了仿真的可行性，流固耦合较CFD提高了仿真的准确性，之后基于FSI仿真优化了摆线泵进排油腔。课题展望：

（1）仿真方面，目前采用黏度模型来模拟转子间的接触，流固耦合可以模拟内外转子的接触，使仿真更接近真实。

（2）摆线泵的性能受到转子的齿数、转速、出口压力、温度等的影响，基于FSI对摆线泵的工况可进一步详细研究。

（3）受计算量所限，目前仅对摆线泵的进排油腔进行优化，可进一步对转子参数优化从而提升泵的性能。

研究团队介绍

微纳润滑与磨损研究团队现有教师7人，其中教授1人，副教授3人，是中北大学能源动力工程学院动力系统性能与结构研究室团队的核心组成部分，在读研究生8名。团队以多物理场仿真技术、微纳材料界面润滑在动力传动领域的应用研究为重点，主要研究方向包括液压润滑系统多物理场仿真、纳米材料润滑性能、摩擦磨损分析与预测等。