内啮合齿轮泵流场的数值模拟

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。

基于流固耦合理论的高速齿轮箱内部流场数值分析高超;张开林;张雨;姚远【摘要】利用Pumplinx软件,对高速动车组驱动齿轮箱内齿轮啮合过程中润滑油分布规律和齿轮箱内部压力场变化规律进行数值分析.使用RNG k?ε湍流模型和动网格模型建立基于流固耦合理论的齿轮箱内部流场的VOF两相流模型,对其进行数值模拟,并对关键节点压力进行监测,对比分析不同齿轮参数对箱体内部流场的影响.结果表明:在齿轮啮合区与从动齿轮左下方有漩涡出现;在啮合区的出口处压力有较大波动,稳定时啮入点压力在正压范围内波动,啮出点压力在负压范围内波动,通气孔处压力波动较大且无规律可寻;齿轮转速越快、齿轮越宽,箱体内部压力波动越大,合理降低转速和齿宽,有利于实现内部流场压力的均匀分布.通过数值仿真和监测关键位置可以得到齿轮箱内部流场的两相流分布和压力场变化规律,可为齿轮箱结构的合理设计与润滑油的合理配置提供的理论依据.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2018(043)008【总页数】8页(P69-75,92)【关键词】齿轮箱;流固耦合;两相流;内部流场【作者】高超;张开林;张雨;姚远【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U260.2随着高速动车组国产化进程的加快，对列车驱动系统的研究越来越深入。

传动齿轮箱作为动力转向架驱动装置的核心组件之一，其运转状态会对动车组运行的动力性能和安全性能产生直接影响。

齿轮高速转动会造成箱体内部的压力分布极不均匀，严重影响齿轮的润滑和箱体的冷却。

因此，需对齿轮箱的内部流场特性作进一步研究。

齿轮箱内部流场为复杂两相流问题，马根娣和孙鸿元[1]指出，用数学推导方法不可能实现两相流分析，只能通过两相流模型来分析两相流问题。

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2020年第24期·55·文章编号：2095－6835（2020）24－0055－03基于Fluent 的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析＊姚奇，沈仙法，季丰（三江学院机械与电气工程学院，江苏南京210012）摘要：为提高外啮合齿轮泵的使用寿命，减轻齿轮泵的困油和泄漏现象，利用Fluent 软件对外啮合齿轮泵的内部流场进行了仿真，研究了齿轮泵齿侧间隙为0.05mm 、0.1mm 和0.15mm 时对困油压力的影响，分析了转速为1000r/min 、2000r/min 和3000r/min 时齿轮泵内部速度流场分布。

结果表明，齿轮泵的侧向间隙越大，泄漏量越大，容积效率越低；齿轮泵转速越大，内泄漏越大，容积效率越低，流量脉动加大，液场流速增大。

研究成果为外啮合齿轮泵的设计改进提供了技术参考，具有一定的实践意义。

关键词：外啮合齿轮泵；流场；仿真分析；Fluent 中图分类号：TH137.51文献标志码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2020.24.0181引言外啮合齿轮泵是液压系统的重要动力元件，它因具有结构简单、维修方便、自吸能力强、对油液污染不敏感等优点而广泛应用在冶金、采掘机械、航空航天和深海探测等诸多领域。

但是，同时，它也存在着泄漏、困油和径向不平衡力等缺点。

针对这些缺点，国内外学者对其展开了研究，并取得了一定成果。

李志华等运用数学模型的方法对齿轮泵进行优化设计[1]。

冀宏等使用Fluent 和Pro-E 软件对外啮合齿轮泵的径向力进行了数值计算，比较了卸荷槽改进前后的外啮合齿轮泵径向力后认为合理的卸荷槽设计可以使外啮合齿轮泵的径向力大大降低[2]。

周雄等通过大量的数值计算，求得间隙与泄漏之间的相对应关系，得出最佳的理论间隙[3]。

李金鑫等利用Matlab 软件研究了壳体参数对于泄漏的流量的影响[4]。

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。

现代制造工程2007年第6期设备设计/诊断维修/再制造润滑用齿轮泵内部流场的动态模拟江帆1,2,陈维平2,李元元2,屈盛官2(1广州大学信息与机电工程学院机电系,广州510006;2华南理工大学机械工程学院,广州510640)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,采用动网格技术对柴油机的润滑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。

结果表明:1)泵内的压力不同瞬时有所变化,但都保持进油腔压力低,排油腔压力高;2)进/排油腔内高/低速区在不同的瞬时位于不同齿轮侧,对齿轮产生冲击。

关键词:齿轮泵;内部流场;动态模拟;动网格中图分类号:T H325　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2007)06—00116—03D ynam i c si m ul a ti on of flow f i eld i n si de of lubr i ca te gear pu m pJ iang Fan1,2,Chen W ei2p ing2,L i Yuan2yuan2,Qu Sheng2guan2(1I nfor mati on and Electr omechanical Engineering College,Guangzhou University,Guangzhou510006, CHN;2Mechanical Engineering College of South China University of Technol ogy,Guangzhou510640,CHN) Abstract:The gear pu mp is an i m portant component in hydraulic trans m issi on and lubricati on syste m.I n order t o catch the varia2 ti on of fl ow field inside of gear pu mp,the moving grid technol ogy is used t o dynam ic si m ulate the fl ow in gear pu mp,which is usedf or lubricati on in diesel engine,and the fl ow variati on inside of gear pu mp with gear r otating is analyzed.The results show that:1)Though the p ressure inside of gear pu mp varies at difference moment,the p ressure in oil enter cha mber is l ow,and that in oil out chamber is high;2)The oil vel ocity varies in oil cha mber,and i m pact the difference gear at difference moment.Key words:Gear pu mp;I nside fl ow field;Dyna m ic si m ulati on;Moving grid 机油齿轮泵是柴油机的重要部件,它使柴油发动机各个摩擦副表面得到良好的润滑且带走热量,以保证发动机的正常工作,因此,它的性能直接关系到柴油发动机的工作状态。

内啮合齿轮泵参数计算公式概述说明以及解释1. 引言1.1 概述内啮合齿轮泵是一种广泛应用于液压传动系统中的重要元件。

它通过两个啮合的齿轮在壳体内部的运动，实现了液体的吸入和排出过程。

内啮合齿轮泵具有结构简单、工作可靠、体积小等优点，在各个领域都有着重要的应用。

1.2 文章结构本文将从以下几个方面对内啮合齿轮泵参数计算公式进行概述、说明和解释。

首先，我们会介绍内啮合齿轮泵的基本情况和参数计算的重要性。

接着，我们会详细解释推导内啮合齿轮泵参数计算公式的原理，并解释主要参数及其意义。

最后，我们会通过一个实例分析来展示如何使用这些公式进行参数计算，并得出相应的结论。

最后，我们会对本文进行总结，并展望未来研究方向。

1.3 目的本文旨在深入探究内啮合齿轮泵参数计算公式，并阐明其在实际工程中的应用价值。

通过对相关公式和原理进行详细介绍和解释，读者可以更加深入了解内啮合齿轮泵的参数计算方法，为实际应用提供参考和指导。

希望通过本文的阐述，能够增进对内啮合齿轮泵的理解，并为今后的研究和工程实践提供基础和启发。

2. 内啮合齿轮泵参数计算公式概述说明2.1 内啮合齿轮泵简介内啮合齿轮泵是一种常见的工业泵，它由内外啮合的齿轮组成，并通过齿轮的旋转来产生流体压力。

内啮合齿轮泵通常用于输送液体或润滑油，可以广泛应用于各个领域，如机械工程、石油工业和化工等。

2.2 参数计算的重要性在设计和使用内啮合齿轮泵时，准确地计算其参数至关重要。

这些参数包括流量、转速、功率、压力等。

通过正确计算这些参数，我们可以评估泵的性能和效率，并确定其适用范围。

参数计算也有助于我们理解内啮合齿轮泵的运行原理，并进行优化设计。

2.3 参数计算的应用领域内啮合齿轮泵参数计算广泛应用于以下领域：a) 设计与制造：在设计过程中，我们需要根据所需流量和压力来确定合适的泵型号和尺寸。

通过参数计算，可以选择最佳组件材料、确定齿轮的尺寸和几何形状，从而满足特定的工作要求。

文章编号:1673 5196(2011)01 0045 05微型齿轮泵内流场的动网格模拟和分析张 锴1,翟俊霞2,3,陈嘉南1,赵云文3(1.南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 210009; 2.南京工程学院国际交流合作处,江苏南京 211167;3.常熟天银机电有限公司,江苏常熟 215513)摘要:采用F luent软件的动网格技术,结合k 模型对外啮合微型齿轮泵的内部流场进行仿真分析,模拟和分析微齿轮中心距和转速对出口平均速度的影响.对内部流场分析结果表明,齿轮中心距影响流量,转速与流量成线性关系,内部流场的稳定时间与齿轮中心距无关,模拟结果与实验数据较为吻合.关键词:齿轮泵;CF D;仿真;动网格中图分类号:T H137 文献标识码:ASimulation and analysis of flow field inside micro gear pump with dynamic mesh ZHANG Kai1,ZH AI Jun xia2,3,CH EN Jia nan1,ZH AO Yun w en3(1.School of M echanical and Pow er E ngineering,Nanjin g University of T ech nology,Nan jing 210009,Chin a;2.Department of In ternationalC om munication and Cooperation,Nanjing Institute of T ech nology,Nanjing 211167,Ch ina; 3.Changshu Tianyin E lectrom echanical CO., L td,Changsh u 215513,China)Abstract:The flow field inside the m icro gear pump w ith ex ternal g earing w as sim ulated and analyzed w ith softw are Fluent w ith dynam ic mesh technolog y and k m odel.T he influence of center distance and rotation speed on pum p average outlet velocity w as simulated and analyzed.The results show ed that the gear center distance w o uld have influence on outlet flow and there w as a linear r elationship betw een pump speed and flow.And the transient time to steady state flow field w as independent of center distance of the gears.The simulation r esult w as consist an w ell w ith the experimental data.Key words:gear pump;CFD;simulatio n;dy namic mesh近年来微流体机械由于在混合、化学反应、物质和能量传递等方面具有常规流体机械所不能比拟的优点,从而引起了诸如德国美因茨公司[1]、麻省理工大学[2]、英国帝国理工学院[3]等世界著名研究机构的重视,国内科研机构[4]也开始了探索性的研究.微型齿轮泵的内部结构直接导致流场结构的变化以及复杂涡流的产生,尤其是微型齿轮的中心距离在装配和使用过程中,由于装配误差和零件结构的磨损不可避免地出现与设计值的偏差,导致流线、压力等参数发生变化,进而影响出水量的大小和稳定性.因此,对于微型齿轮泵,流量的变化就显得尤为重要.随着数值计算能力的增强,CFD模拟日显其重要功能与作用,并在泵的设计和制造过程中已有广收稿日期:2010 06 04基金项目:江苏省自然科学基金(BK2009573)作者简介:张 锴(1976 ),男,江苏南通人,博士生.泛的应用[5 6].微型齿轮泵的内部流道涉及几十微米,经典的流体力学理论仍然适用,因此数值模拟方法近年来已成为研究微流体机械领域的重要手段之一.本文对微型齿轮泵的结构进行研究,采用Flu ent对微型齿轮泵内的流场进行模拟,分析多种转速和不同齿轮中心距对流场的影响.1 物理模型与数值方法1.1 构建模型Gambit虽然功能强大,但对于微型齿轮,其齿形结构复杂,用Gmabit直接建模比较困难.因此首先采用CAXA内部自带的齿轮模块,生成1个齿数为18,模数为0.5,压力角为20 ,齿根圆直径为7.75mm,分度圆直径为9mm的微型齿轮三维模型,并转换成DXF数据由AUT OCAD接受.由于计算采用二维简化结构,因此将三维DXF数据二维第37卷第1期2011年2月兰 州 理 工 大 学 学 报Jo ur nal of L anzho u U niv ersity of T echno lo gyVo l.37No.1F eb.2011化后,转化成Gambit 可接受的SAT 数据形式.微型齿轮及壳体二维模型如图1所示.图1 物理模型Fig.1 Physical model泵的进出口采用四边形网格,泵体内部因动网格需要采用三角形网格,生成4282个节点,240个四边形网格和6954个三角形网格.1.2 控制方程微型齿轮泵内部满足的控制方程组采用二维不可压缩流体的连续性方程:t + ( v x ) x + ( v y ) y=0(1)式中: 为流体密度;v x 、v y 为流体速度在x 、y 方向上的分量.动量、能量及紊流方程采用统一的运输方程形式,由时间项、对流项、扩散项和源项组成.对于变量 ,运输方程为( C ) t + ( v x C ) x + ( v y C )y= x x + yy +S(2)式中:C 为通量, 为传输系数,S 为源项.1.3 时间参数和边界条件取上限转速100rad/s,旋转周期为0.0628s,选取时间步长1 10-4s.采用动网格,上下为进出口,表压为0,两个齿轮定义为刚体,其运动由UDF 定义,壳体定义为无滑移壁面.为节约计算时间,采用一阶迎风格式对其进行离散后,用SIM PL EC 算法对方程进行修正,加快迭代过程中解的收敛.采用标准k 模型,其参数为:C u =0.09,C 1=1.44,C 2=1.92,Pr k =1.0,P r =1.3.C u 、C 1和C 2是模型常数,Pr k 和Pr 分别为k 和 的湍流普朗特数.1.4 动网格更新方法对于复杂的相对运动,一般采用网格弹性变形和网格再生技术来实现计算区域非结构化网格的模拟.网格弹性变形根据弹性近似原理[7]实现网格变形来适应边界运动,计算精度较高,但不能模拟有较大变形的计算区域.由于计算过程中齿轮与壳体的相对运动区域较大,因此必须采用网格再生技术和弹性变形技术相结合的动网格技术.对在指定范围内的网格采用弹性变形以适应计算域的变化,当网格大小超出指定范围时采用网格再生技术.弹性变形和再生技术中的参数必须在计算过程中不断的调整以适应模拟的进行.1.5 物理性质以常温、常压下的水为介质,其物理参数见表1.表1 介质水的物理参数Tab.1 Physical parameters of water密度/(kg m -3)黏度/(kg m -3)相对分子质量温度/K 大气压/Pa 998.20.00118.0152981013252 计算结果与分析微型齿轮的分度圆半径为9m m,为了模拟多种装配误差和由于工作导致的磨损而生的中心距偏差,设在中心距分别为9.300、9.400、9.500、9.625m m 时进行数值模拟,并且对中心距为9.500mm 的齿轮在转速分别为100、80、60、40、20r ad/s 的情况下进行分析.2.1 微型齿轮泵内压力场当左齿轮顺时针旋转而右齿轮逆时针旋转时,上端为液体出口,下端为进口,通过计算可以发现,在两齿轮将要啮合的区域出现压力急剧升高的现象,如图2中A 部分;而在齿轮将要分离时出现负压,如图2中B 部分,这也验证了在实际运行过程中出现的齿轮泵 困油 现象[8 9].图2 微型齿轮泵内压力云图Fig.2 Nepho diagram of pressure in micro gear pump随着齿轮的连续旋转,啮合处液体的体积周期性的压缩和膨胀,由于液体的可压缩性小,造成该区间内的液体压力剧升和剧降,给外啮合齿轮泵的平46 兰州理工大学学报 第37卷稳性、寿命、振动等都带来了很大的危害[10].目前也有不少研究者对 困油 现象进行研究和改进[11 12],但由于微型齿轮泵的体积过小,因此尚未对此问题进行研究.2.2 不同时刻的流场状态在初始化流场状态时,将泵内状态设定为静止,因此随着泵内微型齿轮的旋转,内部的流场也相应出现变化.图3为不同时刻的速度矢量,图4为不同时刻的入口粒子轨迹图.从图3可以看出,当时间为0.075s 时泵内的速度场达到一个相对稳定的状态.图4b 与图4c 的轨迹线也较为相似,而与图4a 相差较大,说明在0.075s 后,微型齿轮泵的内部流场趋于稳定.在进出口的肩部随着齿轮转动的进行出现漩涡,漩涡容易对齿轮面产生冲击,降低齿轮的使用寿命,如图3c 中C 部分所示.图5为出口平均速度随时间的变化情况,在图3 不同时刻的速度矢量Fig.3 V elocity vector at different moments图4 不同时刻的轨迹图Fig.4 Pathline at diff erent moments图5 出口平均速度随时间的变化Fig.5 Variation of outlet average velocity with time0.075s 后出口速度基本在一个微小范围内震荡,也验证了图3和图4中所显示的结果.在此时刻后,内部流场趋于相对稳定状态,此时的流量为该转速下的出口平均速度.由于微型齿轮的旋转是个瞬时过47 第1期 张 锴等:微型齿轮泵内流场的动网格模拟和分析程,不同时刻其内部流场和出口速度并完全一致,因此曲线在0.075s 后并不是一条平滑直线.2.3 不同中心距的模拟对中心距分别为9.300、9.400、9.500、9.625mm 的微型齿轮泵内流场进行数值模拟,分析不同中心距对出口速度以及内部压力场的影响.由图6可知,尽管齿轮中心距不同,但是其相对稳定状态出现在0.075s 附近.随着中心距离的减小,出口速度逐渐增大,出口平均速度与中心距近乎成线性反比,如图7所示.随着齿轮的转动,齿轮中心距的减小,齿轮啮合处结构更为紧凑,致使该处压力升高,有利于出口排出液体.图6 不同齿轮中心距出口速度随时间的变化Fig.6 Variation of outlet velocity with time at diff erentcenterdistances图7 不同齿轮中心距与出口速度的关系Fig.7 Relationship between center distance and outletvelocity2.4 不同转速的模拟与实验对齿轮中心距为9.500m m 的微型齿轮泵进行不同转速的数值模拟.随着转速的增大,其出口的平均流速也随之增大,如图8所示.图中也反映出尽管转速不一,但基本在0.075s 时,其出口平均流速达到基本稳定的状态.说明内部流场的稳定时间与齿轮中心距无关.采用快速原型法制备2个齿数为18,模数为0.5,压力角为20 ,齿根圆直径为7.75mm ,分度圆直径为9mm 的微型齿轮,装配成微型齿轮泵.24V 永磁性直流无刷电机及相应驱动器外加70W 开关电源和计时器,电子天平秤,在常温与常压条件下,以水为工作介质进行不同转速下的流量实验,其结果如图9所示.可以看出流量随着转速的增大而呈线性增大,数值模拟同样显示流量与转速呈线性关系,两者结果一致,由此可以说明数值计算结果的正确性.图8 不同转速时出口速度随时间的变化Fig.8 Variation of outlet velocity with time at dif ferencerotation v elocities图9 流量与转速的模拟和实验结果对比Fig.9 C omparison of experimental and simulation resultsflow speed dependence3 结论1)通过模拟计算发现微型齿轮泵与一般工业泵一样存在 困油 现象,其气蚀主要发生在齿轮脱离啮合的地方,并且在进出管口的肩部出现涡流现象.2)微型齿轮泵运行相对稳定的状态与齿轮中心距以及转速无关.3)微型齿轮泵的出口流速与齿轮中心距有关,随着距离的增大而呈线性减小.4)微型齿轮泵的出口速度与齿轮转速有关,随着转速的增大而呈线性增大趋势,这有利于通过控48 兰州理工大学学报 第37卷制转速来精确控制流量.5)采用Fluent动网格模拟外啮合齿轮运动状态,为齿轮泵流场问题的仿真提供便利,为微型齿轮泵的设计和结构优化提供具有参考价值的数据.参考文献:[1] L B P,PENNEM ANN H,H ESS EL V.g/l Dis pers ion in interdigital micromix ers w ith different mixing ch amb er geom e tr ies[J].Ch emical Engin eering J ournal,2004,101:75 85. 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齿轮泵参数化设计及其可视化仿真实现彭玉洁　潘桂华 摘要　本文借助AutoCAD的ADS开发系统对齿轮泵做参数化设计及可视化仿真,以期提高设计效率、缩短设计周期和提高设计合理性。

关键词　齿轮泵　参数化　可视化　仿真1　参数化设计及ADS系统概述 在实际设计任务中,我们经常会遇到系列产品的设计工作,这些产品在结构上基本相同,但由于使用场合、工况的差别,在结构尺寸上形成了一个系列。

对于这种设计任务,如果我们一一地去设计、绘图和编制工艺流程,所带来的重复工作量将是相当庞大的。

这样不仅极大地浪费了人力、物力资源,也无谓地延长了设计周期。

参数化设计的思想使得这种问题得到了很好的解决。

这也是本文在讨论齿轮泵的设计过程中所要采用的思路。

参数化设计(参数化设计涵盖面极其广泛,本文主要讨论参数化绘图),就是将产品图形的尺寸与一定的设计条件(或约束条件)相关联,即将图形的尺寸看成是“设计条件”的函数。

当设计条件发生变化时,图形尺寸便会随之得到相应更新。

参数化绘图是相对于交互式绘图而言的。

早期的CAD系统,只提供交互式绘图功能,交互式绘图只能是对手工绘图的简单代替,并不是真正意义上的计算机辅助设计。

只能参数化设计性质的绘图,才能充分发挥CAD准确、快速的特点。

参数化设计也指由应用程序(如ADS程序)生成的图形具有参数化的功能。

具体可理解为图形的所有尺寸是参数化的,可以动态修改,但这一过程是借助应用程序来实现的。

即应用程序负责与用户交互,当用户想修改图形的某一尺寸时,应用程序负责更新这一尺寸及相关尺寸。

ADS是一组可以用来用C语言编写AutoCAD 应用程序的头文件和目标库,其中附加了一组专用于对AutoCAD进行操作的函数。

ADS应用程序是可以在AutoCAD环境中运行的可执行文件,它和AutoCAD建立通讯联接,向AutoCAD发出命令,并获得命令执行的结果。

同时ADS应用程序拥有C 语言运行函数库的全部函数。

在AutoCAD中无法绘制的满足函数关系的图形通过ADS可以轻而易举地解决。

高速列车齿轮箱内部流场数值模拟于宝义;李亚丽;林亚东;郑黎;李润霞【摘要】为了研究齿轮箱内部复杂油气两相流的变化规律,采用数值模拟方法研究了转速及浸油深度对流场的影响.结果表明,3倍于齿高的浸油深度可以充分发挥润滑油的润滑冷却作用.在齿轮啮合区流体速度最大,不同转速条件下流体速度最大值变化规律相同,并最后稳定在一定范围内波动,且最大流体速度平均值呈线性增长.齿轮啮合区附近压力变化较大,在啮入区域形成局部高压,在啮出区域形成局部低压.随着转速的提高,高压和低压绝对值呈增大趋势,但不遵循线性关系.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2019(041)003【总页数】6页(P273-278)【关键词】高速列车;齿轮箱;流场;数值模拟;转速;浸油深度;流速;油压【作者】于宝义;李亚丽;林亚东;郑黎;李润霞【作者单位】沈阳工业大学材料科学与工程学院, 沈阳 110870;沈阳工业大学材料科学与工程学院, 沈阳 110870;沈阳工业大学材料科学与工程学院, 沈阳110870;沈阳工业大学材料科学与工程学院, 沈阳 110870;沈阳工业大学材料科学与工程学院, 沈阳 110870【正文语种】中文【中图分类】TH132随着列车的飞跃式提速，齿轮箱作为传动装置的重要部件，对其性能要求越来越严格.在列车高速行驶过程中，齿轮传动系统的工作环境极其恶劣，箱体内部存在复杂变化的油气两相流[1]，从而对齿轮箱的润滑、密封等性能造成很大的影响.润滑油具有良好的润滑性、密封性、抗磨性及抗腐蚀性能，因而可以减轻齿轮箱内运动零件接触表面的磨损并降低产热量，进而起到清洗和冷却的作用，从而保证齿轮箱的正常工作[2-3].因此，研究齿轮箱的流场变化规律并选择合适的浸油深度对保证齿轮箱的正常高效运行非常重要.目前关于齿轮箱流场的分析尚未得到系统研究.吴特[4]建立了齿轮箱二维仿真模型，应用动网格技术分析了齿轮箱内部流场的变化规律；刘志强、任崇会等[5-6]建立了齿轮箱三维流体模型，应用动网格技术研究了齿轮箱内的瞬时流场变化规律，相关试验结果表明，二维与三维仿真模型的流场变化具有一致规律，结构尺寸较小的模型可实现三维仿真计算，但结构尺寸较大的模型很难实现三维模拟.Li等[7]对齿轮进行了简化，忽略了齿形对齿轮搅动过程的影响.本文以时速380 km的动车组用齿轮箱为研究对象，且电机最大转速为5 900 r/min.由于齿轮箱的结构尺寸较大，建立三维仿真模型的计算规模十分庞大，现有计算机硬件难以满足仿真需求，因此，采用二维模型进行相关计算.目前齿轮转动过程主要采用动网格技术进行模拟计算.本文选用一种新方法，即采用Fluent软件中的MRF模型模拟齿轮转动，并结合VOF多相流模型对不同转速及不同浸油深度条件下的齿轮箱内油气两相流进行计算分析，并为齿轮箱的设计和安全可靠运行提供现实指导.1 模型选取及建立1.1 数学模型1.1.1 湍流模型当列车高速运行时，齿轮箱高速运转搅起润滑油并引起空气的剧烈运动，油气混合物在齿轮箱内部剧烈混乱地流动，使得箱体内部润滑油及空气运动变化复杂，因此，齿轮箱内部流体的流动应按湍流处理.湍流模型中的RNG k-ε模型考虑了平流问题中的复杂旋流以及旋转流动，对ε方程进行了改进，有效地改善了计算精度，能够处理齿轮箱内部流线弯度较大及应变率较高的问题.因此，选择RNG k-ε方程湍流模型进行内部流体数值模拟[8]，其控制方程如下：(1)(2)式中：ρ为密度；k为湍动能；ui为湍流速度；ε为湍流耗散率；μeff为RNG k-ε模型对湍流粘度的修正值；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项数值；为RNG k-ε湍流模型经验常数C1ε的修正系数；t为时间；xi、xj分别为不同方向的位移；C1ε、C2ε分别为RNG k-ε湍流模型中k方程和ε方程的模型常数，具体数值为C1ε=1.42，C2ε=1.68；αk、αε分别为湍动能和耗散率对应的紊流普朗特数，且具体数值分别常采用1.0和1.3.1.1.2 多相流模型对于齿轮箱内部润滑油和空气形成的复杂两相流问题，选用VOF多相流模型对齿轮箱内部流体流动特性进行仿真计算.VOF模型的连续性方程、体积分数方程和动量方程分别为+(ρv)=0(3)+val=0(4)+(ρvv)=-p+[μ(v+vT)]+ρg+F(5)式中：为哈密尔顿算子；v为速度矢量；μ为流体动力粘度；g为重力加速度；p为压强；F为表面张力的等价体积力形式；al为第l相的体积分数.设al下标l=1和2分别代表空气和油液，则a1+a2=1(6)气液两相流中由于表面张力及壁面粘附引起的动量方程源项表达式为al/(ρl+ρm)(7)式中：σ为表面应力张量；k′为气液两相界面曲率，下标l、m代表不同相.1.1.3 动参考坐标系模型MRF模型的整个模拟计算区域被划分成多个较小的子域，每个子域可以拥有各自的运动方式，如静止、旋转运动和平移运动.在每个子域内分别进行控制方程计算，在相邻子域的相互交界面上通过边界设置实现各个子域流场的信息互换.对于一对啮合的齿轮而言，在啮合位置建立两个齿轮的旋转域会在空间上发生干涉，这样就需要将一对啮合齿轮拉开，并通过设置圆柱体将两个啮合齿轮分别进行包裹，从而保证圆柱体与圆柱体之间以及圆柱体与被包裹的齿轮之间保留适当的距离.定义齿轮和圆柱体之间的包裹空间为旋转域，因而齿轮箱内部流体区域共有两个旋转域.通过定义旋转域的转速实现齿轮的旋转，并通过定义两组边界来实现静止域和旋转域的信息交换.1.2 几何模型利用UG参数化建模方式建立啮合齿轮的实体模型，主、从动齿轮选用斜齿轮，斜齿轮具有啮合性能好、传动平稳等优点.传动齿轮基本参数如表1所示，齿轮箱流体域模型如图1所示.表1 传动齿轮基本参数Tab.1 Basic parameters for transmission gear齿轮法向模数压力角/(°)螺旋角/(°)中心距/mm齿数分度圆直径/mm主动轮6201838035220.81从动轮6201838085536.25图1 齿轮箱流体域模型Fig.1 Fluid domain model for gearbox初始网格质量对仿真结果至关重要，将建立的齿轮箱内部流体模型导入Fluent软件中进行网格划分和边界设置，内部流体域采用三角形网格进行离散.齿轮啮合处附近局部网格如图2所示，且初始网格共有39 242个节点、67 784个单元.图2 局部网格Fig.2 Local grid1.3 边界条件及求解方法齿轮箱内含有由润滑油和空气构成的复杂两相流，多相流模型选用VOF模型，第一相设定为空气，第二相设定为润滑油.本文选用Basf-Emgard RW-A 75W-90润滑油，65 ℃时润滑油粘度为0.036 9 Pa·s，密度为837 kg/m3.应用MRF模型对不同工况下的箱体内部流场进行动态实时仿真，选用RNG k-ε湍流模型与基于压力的分离求解器，并采用标准壁面函数处理近壁面区域的流动问题.齿轮箱壁面设置为无滑移模式，采用PISO算法进行压力速度耦合.当连续性方程、速度方程、湍动能、湍动能耗散率与油液体积分数方程的残差均小于1×10-5时，即可认为计算收敛.2 齿轮箱动态模拟结果2.1 齿轮箱内部流体分布齿轮箱的润滑油深度对齿轮传动系统温度场及整体性能具有很大影响[9].如果润滑油深度太小，会导致齿轮润滑及箱体散热不足；如果润滑油深度过大，会增大搅油损失，将对齿轮传动系统的润滑和密封性能造成不良影响.为了选择合适的润滑油深度，计算了齿轮箱不同润滑油深度对流场的影响.设定齿轮以额定功率运行，小齿轮顺时针旋转，转速为5 900 r/min，取齿轮箱内大齿轮润滑油深度分别为1～4倍齿高.当齿轮箱运动达到动态平衡时，润滑油分布趋于稳定，不同浸油深度条件下齿轮箱内的润滑油分布如图3所示.图3中蓝色代表空气，红色代表润滑油，其他不同颜色代表润滑油的不同体积分数.由图3a、b可见，当润滑油深度为1、2倍齿高时，随着啮合齿轮的高速旋转，在离心力的作用下箱体底部的润滑油在齿轮箱内发生飞溅，润滑油小油团沿箱体内壁聚集，而齿轮箱内部空间的油滴较少.由图3c可见，当润滑油深度为3倍齿高时，箱体内壁存在较多的润滑油小油团，齿轮箱内部空间具有较多的小油滴与弥散油雾，从而可对箱体起到冷却降温效果，而且在大、小齿轮的啮合区域存在较多微小油滴，这对齿轮工作表面起到了冲洗和润滑作用，使得齿面不发生直接接触，保证了齿轮的有效使用.由图3d可见，当浸油深度为4倍齿高时，箱体内的润滑油虽然被充分搅起，但箱体底部存有大量润滑油，增加了搅油损失.由此可见，当为齿轮箱注油时，选择浸油深度为3倍齿高时可以充分发挥润滑油的作用.2.2 齿轮箱内部流体速度场列车运行速度是影响齿轮箱密封及泄露性能的重要因素[10]，因而对不同转速条件下的速度场进行了分析.设定大齿轮浸油深度为3倍齿高，且小齿轮顺时针旋转.图4为稳态时小齿轮在最大运行速度5 900 r/min条件下某一时刻的速度分布.由图4可知，齿轮边界处流体流速较高，越靠近箱体内壁流速越小.齿轮啮合区流体速度最大，且速度最大值达到了92.4 m/s，这主要是因为在大、小齿轮的啮合区域，油气两相持续受到前后两对轮齿的挤压和分离作用，在极短时间内斜齿轮螺旋角的存在使得轮齿啮合线先由短变长，再由长变短并形成了狭小流体空间，且油气两相在此狭小空间中不断发生剧烈变化.图3 不同浸油深度下润滑油分布Fig.3 Lubricating oil distribution under different oil immersion depths为了研究不同转速下箱体内部流体的瞬时速度变化，设定主动轮转速分别为2 000、4 000、5 900 r/min，内部流体速度最大值随时间的变化曲线如图5所示.由图5可见，在齿轮开始运转一段时间内，速度呈上升趋势，最后分别稳定在一定范围内波动：当主动轮转速为2 000 r/min时，内部流体速度最大值稳定在40～48 m/s 范围内；当主动轮转速为4 000 r/min时，速度最大值稳定在65～70 m/s范围内；当主动轮转速为5 900 r/min时，速度最大值稳定在90～96 m/s范围内.图4 5 900 r/min下速度分布Fig.4 Velocity distribution at 5 900 r/min图5 不同转速条件下速度最大值变化曲线Fig.5 Change curves for maximum speed at different rotational speed选取图5中不同转速条件下内部流体速度最大值的平均值，得到箱体内部流体的最大速度平均值随转速的变化曲线，结果如图6所示.由图6可见，随着齿轮转速的增大，流体的最大速度平均值随之增大并呈线性增长.2.3 齿轮箱内部流体压力场在齿轮的啮入和啮出区域，流体分布和受力状态均不相同，导致二者之间出现了压力差，在长时间作用后齿轮产生形变，造成轮齿间的润滑间隙减小甚至消失，导致两轮齿直接接触，甚至引起齿轮传动失效，从而直接影响了齿轮寿命.设定润滑油深度为3倍齿高，主动轮转速为5 900 r/min.图7为内部流体运动达到动态平衡时某时刻的压力分布，且啮合处下方为齿轮啮合入口，上方为齿轮啮合出口.由图7可知，随着齿轮的旋转，轮齿将要进入啮合区时的压力值最大，并形成了局部高压，且最高压力值达到42 kPa.当齿轮啮合后，轮齿将要脱离啮合区时压力值最小，并形成了局部低压，最低压力值达到-31 kPa.出现这种现象主要是因为当齿轮高速旋转时，在齿轮进入啮合的过程中，将要进入啮合区的油气混合物瞬间聚集在啮合区域前，导致压力急剧升高，当达到正压峰值后，油液速度迅速增大，并在压力作用下进入啮合区，因而啮合部位的高压会以液压方式传递出去，从而保护了齿轮.在两个啮合齿轮脱离啮合的过程中，润滑油得不到及时填补，随后很快形成了一个真空区域，当达到负压峰值后又恢复正压.不同转速条件下箱体内部的压力分布规律基本一致且差别较小，这里不再赘述.图6 最大速度平均值与转速的关系Fig.6 Relationship between average valueof maximum speed and rotational speed图7 流体压力分布Fig.7 Fluid pressure distribution为了研究齿轮啮入和啮出区域的压力瞬态变化过程，选取图7中A、B两点作为分析压力随时间变化的参考点.由图7可见，A点为齿轮啮入区域参考点，B点为齿轮啮出区域参考点.设定参考压力为一个大气压，高于一个大气压时的压力为正值，低于一个大气压时的压力为负值.图8为不同转速条件下两参考点的压力值瞬态变化曲线.随着齿轮运行时间的推移，压力值发生波动，但压力分布规律基本不变，因此，选择0～0.6 s为研究时间范围.在齿轮启动初始时刻，两参考点的压力值未发生变化，这是因为从齿轮开始转动到齿轮带起润滑油接触参考点并引起参考点的压力变化需要一定时间，压力变化表现出启动瞬态行为，即啮入区和啮出区压力值相同，并在压力为零附近浮动，此时压力大小为外界大气压.随着时间的推移，转速越大，压力开始变化的时间点越早，这是因为转速越大，润滑油进入齿轮啮合区的速度越快，最终啮入点A的压力表现为正压，啮出点B的压力表现为负压，并最终稳定在一定范围内波动.图8 不同转速下压力值瞬态变化曲线Fig.8 Transient change curves of pressure at different rotational speed为了更精确地研究转速对箱体内部压力场的影响，在齿轮箱运行达到动态平衡后，选取不同主动轮转速条件下不同时刻齿轮箱内部啮入点A和啮出点B的压力平均值作图，结果如图9所示.图9 压力平均值和转速的关系Fig.9 Relationship between average pressure and rotational speed由图9可知，当润滑油深度一定时，随着转速的提高，箱体内部流体压力最大值和最小值的绝对值呈非线性增大，且增速逐渐增大，表明转速对压力的影响也逐渐增大，这与文献[5]的试验结果一致.图9中压力最大值与最小值曲线之间围成的部分为压力差.由图9可知，齿轮转速越大，压力差越大，相应地齿轮受到箱体内部流体的作用力越大，齿轮越容易变形，从而使得齿轮寿命越短.3 结论针对自主化研究的齿轮箱传动装置，采用多旋转坐标系方法模拟了高速齿轮箱流场分布情况，并得出以下结论：1) 通过对比不同浸油深度下的润滑油分布，确定3倍齿高的浸油深度既可以充分发挥润滑油的作用，又不会由于浸油深度过大而增大产热量.2) 当转速为5 900 r/min时，齿轮啮合区流体速度最大值达到92.4 m/s；不同转速下压力变化规律相同，并最终稳定在一定范围内波动.3) 齿轮啮入区形成局部高压，齿轮啮出区形成局部低压.随着转速的提高，高压和低压绝对值均呈增大趋势，且增速逐渐增大，表明转速对压力的影响也逐渐增大. 参考文献( References) :【相关文献】[1]Chernoray V，Jahanmiri M.Experimental study of multiphase flow in a model gearbox [J].Computational Methods in Multiphase Flow VI，2011，70：153-164.[2]王清国，桃春生，杨南.汽车润滑效率及润滑油长换油期 [J].润滑油，2017，32(1)：1-6. 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航空发动机内部齿轮箱主腔流场的数值模拟王春利;Kathy Simmons;Adam Turner【摘要】通过建立的内部齿轮箱主腔简化模型，应用RNG k-ε湍流模型，对航空发动机内部齿轮箱主腔流场进行了CFD数值模拟，分析了进口旋流对主腔内流动的影响。

结果表明：进口速度增加时，进入主腔内的流体会更快穿过主腔流出，并减少与腔内低能流动的混合，且流体在腔内的停留时间与其进口速度存在一定程度的关联，速度越高越快离开主腔；腔内流场以出口位置作为径向分界面，可大致分为上部受进口旋流影响的区域，和底部不受进口气流影响的低速流动区域；在上部区域，由于进口旋流的作用，流场中生成了4个大小不等的旋涡，使得流动掺混增强。

%In order to have a vision into the effect of boundary conditions such as inlet swirl on the flow structure within the aero-engine internal gearbox (IGB), a simplified model of the IGB main chamber has been built. CFD numerical simulation was conducted to investigate the effect of inlet swirl on the flow field within the chamber by using the RNG k-εturbulence model. The results indicate that when the inlet veloc⁃ity increases, the inflow would transits through the chamber more quickly with less mixing with the low ener⁃gy flow. Besides,the time of inflow staying in the chamber is somewhat related to its inlet velocity. The fast⁃er the velocity gets, more quickly the flow would transit through the chamber. The flow field inside the cham⁃ber is able to be roughly divided into the upper chaotic region and the lower low energy region. Furthermore, there are four different vortexes in the upper region induced by the inlet flow, the presence of the vortexes strengths the mixing of the flow.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】6页(P22-27)【关键词】航空发动机;内部齿轮箱;主腔;RNG k-ε模型;进口旋流;数值仿真【作者】王春利;Kathy Simmons;Adam Turner【作者单位】中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西南昌330024; Faculty of Engineering，The University of Nottingham，Nottingham NG7 2RD，UK;Faculty of Engineering，The University of Nottingham，Nottingham NG7 2RD，UK;Faculty of Engineering，The University of Nottingham，Nottingham NG7 2RD，UK【正文语种】中文【中图分类】V231.3;V233.1现代航空发动机中，其内部齿轮箱内通常会安装一对螺旋斜齿轮副，作为辅助功率提取装置。