外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析

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]。

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。

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。

毕业设计(论文)开题报告题目：齿轮油泵及泵体仿真分析与应用系：机械电子工程专业：机械电子学生姓名：学号：指导教师：2010年 3 月25 日开题报告填写要求1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。

4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。

文献综述0前言齿轮泵是一种常用的液压泵，以其结构简单，制造方便，成本低，体积小，重量轻，自吸性能强等特点，被广泛用于采矿、冶金、建筑、航空、航海、农林等机械的中、高压液压系统中]1[。

随着经济和技术的发展，人们不断地追求高质量的油泵，这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场和渗流等技术参数进行分析计算。

这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式，这些问题的解析计算往往是不现实的。

近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径]2[。

1有限元法（1）基本概念有限元法是将弹性连续体离散成为有限个单元的一种近似数值解法。

基于Pumplinx的齿轮泵内部流场仿真文昌明;张宸赫;李玉龙【摘要】流体介质的搬运质量直接影响着齿轮泵的整体性能,其内部流场分布的精确分析甚为关键.基于UGNX 3D建模软件和专门的泵类CFD分析软件Pumplinx,首先通过装配方式建立出具有双侧间隙的主流域齿轮副3D模型,其次通过辅流域的补建模型构建出完整的流域3D模型,然后通过仿真运算确定适宜的前处理、网格划分和交互面创建,最后通过模块选取相关参数的设置来进行内部介质的搬运仿真.Pumplinx强大的后处理能力能快速获取泵内部介质的搬运质量,可为后续容积泵开发及空化性能分析等提供精确的流场分布.【期刊名称】《成都大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】6页(P307-312)【关键词】齿轮泵;整体性能;内部流场;Pumplinx;UGNX;仿真流程【作者】文昌明;张宸赫;李玉龙【作者单位】成都大学机械工程学院,四川成都610106;成都大学机械工程学院,四川成都610106;成都大学机械工程学院,四川成都610106【正文语种】中文【中图分类】TH325;TH137.30 引言外啮合齿轮泵(简称齿轮泵)是一种泵送油液的动力工具，因其价格、可靠性、寿命和自吸能力等方面的优势，在常规油类介质应用中相当广泛[1].但其结构易导致出现困油现象、径向力不平衡、进口空化、出口压力脉动等问题[2-6].在流体仿真软件出现以前，设计人员主要通过实验和理论分析的方法对齿轮泵的整体性能进行分析，而对其内部流场的细节常忽略不计.随着通用三维流体仿真软件的出现，设计人员实现了对齿轮泵内部流场的仿真分析[7-9].其中，Pumplinx是一款泵类CFD 软件，其主要针对齿轮泵的内部流场的仿真计算.目前，Pumplinx在齿轮泵中的应用，更多强调的是仿真结果的分析，而对其仿真流程的描述则过于简单[10-12].为此，本研究拟通过实例的详细描述，为齿轮泵的仿真过程提供参考案例.1 齿轮副模型1.1 主流域的齿轮副模型实例齿轮泵的参数为：模数3 mm，齿数10，压力角20 °，齿顶高系数1.125，顶隙系数0.25，变位系数0.139，齿宽20 mm；齿侧间隙0.05 mm，啮合处的油膜厚度0.03 mm；齿顶径向间隙0.1 mm；轴向间隙0.06 mm.经计算，节圆直径为30.866 mm，顶圆直径37.647 mm,啮合角24.03 °.主流域齿轮副建模过程为：首先，在UGNX 12软件中，借助齿轮建模——GC工具箱模块中的柱齿轮工具创建渐开线圆柱直齿轮，输入齿轮参数，得出的齿形(见图1).图1 主流域的齿轮副模型在图1中，若点击节圆直径和顶圆直径左侧的参数估计按钮，会弹出对话框，输入牙(齿)数和变位系数，程序内部会自动估算出节圆直径和顶圆直径；不过，估算出的值是按照无侧隙计算得出的，会造成齿轮副的齿形误差.为避免软件内部的无侧隙与泵用有侧隙齿轮副间的计算误差，在节圆直径和顶圆直径后的对话框内，直接输入实际的计算结果即可.其次，在装配文件中，将同齿形参数的主、从齿轮按有侧隙计算所得的中心距装配，并在两齿的啮合线上垂直装配进油膜厚度为0.03 mm的实体(见图2).同时，通过约束使两齿面与该实体几何接触.图2 固定侧隙值的齿轮副装配方法依据图2所示装配方法的齿轮副，具有了预设的啮合侧隙、啮合油膜厚度以及标准顶隙值(见图3).其中，o1为主动齿轮，o2为从动齿轮.图3 有侧隙齿轮副精确模型1.2 辅流域的补建模型为了构建仿真所需的整体流域，除上述主流域的齿轮副模型外，还需再补建出进、出口流域以及包裹齿轮副的8字形齿顶径向间隙处的环流域以及卸荷槽内的流域.同时，基于Pumplinx对齿轮泵做结构化动网格划分时，可选取高级网格模式直接创建出对称的轴向间隙，故在几何模型中可不必创建轴向间隙.取进油口直径18 mm，出油口直径17 mm，卸荷槽选取圆形卸荷槽，卸荷槽深度5 mm，补建出的三维模型如图4(a)所示.其中的2个齿轮、8字形环、进口、出口及4个耳形卸荷槽间，不得存在几何上干涉.图4 仿真所需必要几何模型及导出对话框然后，将以上的主、辅流域模型，通过UGNX 12的导出功能，按照图4(b)所示的对话框，导出Pumplinx能识别的*.stl格式文件.2 仿真运算前处理模型仿真运算前处理流程的步骤为：打开Pumplinx软件，新建一个项目(见图5).在图5(a)所示的Mesh面板区域上，点击Import/Export Geometry or Grid；然后，在图5(b)所示的属性区Properties上，按照Display Geometry/Mesh Properties→Operation的值为Import Surface→Surface Format→STL Triangulation File→Import Surface from STL Triangulation File.对应于导出后的stl文件，其几何实体如图5(c)所示.图5 STL文件的导入Pumplinx软件默认的长度单位为m，而在UGNX 12软件的默认单位为mm，因而对导入后的几何实体需比例缩放，其流程为：图5(d)对应GeometricEntities→所有CAD Surfaces面→在图5(a)的Mesh面板中→Transform Geometry or Grid→图6所示的比例缩放的属性面板→按照图示选取对应的值→Scale按钮.图6 比例缩放和几何实体的分割与合并网格划分前，还需对缩放后的几何实体做一定的分割与合并，其流程为：选中所有的几何实体→在图5(a)的Mesh面板区→Split/Combine Geometry or Grid→图6(b)所示的分割与合并的属性区→选中需要分割或合并的几何实体→图6(c)中选中对应的Operation值→图6(b)上对应的按钮→对分割与合并后的几何体分别进行命名，以便在网格划分后能够快速地找到相应的交互面(见图7).图7 重命名分割与合并好的几何体图7中，circle1～4为4个圆形卸荷槽壁面；circle1～4-mgi-top、bot为4个卸荷槽与齿轮副上下端面的交互面，亦或与轴向端面泄漏面的交互面；drive、slave-gear为主、从齿轮；drive、slave-gear-shroud为主、从齿轮的外侧壁面，即分割开的8字形壁面；inlet、outlet-mgi-drive，inlet、outlet-mgi-slave为进、出油口与主、从齿轮外侧壁面的交互面；inlet、outlet-wall代表进、出油腔的壁面；inlet、outlet-wall-mgi-bot，inlet、outlet-wall-mgi-top为进、出油腔的壁面与卸荷区的交互面.3 网格划分与交互面3.1 网格划分对于齿轮泵，其网格分为进油区、转子区、卸荷区、出油区4部分.其中，转子区域，可通过模块化的操作步骤快捷的生成高质量动网格，其流程为：点击图5(a)中的Rotor Template Mesher按钮→在属性面板中→选择或输入图8(a)所示的参数；Pumplinx对外齿轮在生成结构化动网格的同时，可直接生成对称的轴向间隙，只需在Setup Options选择Advanced图8 转子区及轴向间隙区的网格划分Mode高级模式，并输入轴向间隙的相关参数；最后点击Build Gear Mesh按钮，选中生成的几何体，并在Result面板区将Grid开关按钮勾选，即可出现如图8(b)所示的网格转子以及轴向间隙的网格.对进油区、卸荷区、出油区的网格划分，以进油区为例说明如下，其流程为：点击图5(a)中的General Mesher，按住Ctrl键，选中如图7中的inlet-inlet、inlet-wall、inlet-mgi-drive、inlet-mgi-slave、inlet-wall-mgi-bot、inlet-wall-mgi-top这6个片体所围成的进油腔，在如图9(a)所示的属性面板区，输入需要的网格参数，点击Create Mesh按钮，即可生成图9(b)所示的进油区网格.图9 进油区网格划分按上述方法接着生成卸荷区以及出油区的网格，则最后总的网格划分如图10所示.图10 齿轮泵网格(不包含轴向泄漏网格)3.2 交互面创建网格创建后，接着创建网格区域的交互面：点击Geometric Entities面板下的第一个切换按钮Group Entities by Volumes/Types，切换为Boundaries显示模式.为便于详细阐述交互面的创建，先删除在高级模式创建转子区动网格时自动创建的Mismatched Grid Interfaces和Interfaces.首先创建转子区与进出油区的交互.这里先创建齿轮转子网格上侧的半8字行片体与进出油腔上侧的片体交互(见图11)，选中drive-gear-outside，inlet-mgi-drive，outlet-mgi-drive这3个边界片体，点击箭头所指的Connect Selected Boundaries via MGI按钮，即可创建这3个片体间的交互面.图11 交互面创建(1)按照图11所示的方法，依次创建其余的交互面，具体包括：图12(a)齿轮转子网格下侧的半8字行片体与进出油腔下侧的片体交互；图12(b)、12(c)分别创建齿轮上、下端面与端面间隙的交互面；图12(d)、12(e)分别创建上、下卸荷槽与端面间隙，以及进出口壁面的交互面.图12 交互面的创建2最后，创建好的交互面如图13所示.图13 交互面创建(2)4 模块选取及参数设置Pumplinx拥有业界独一无二的空化(汽蚀)模型，其具体设置为：在Model面板，点击Select Modules按钮，从列表中选取Cavitation模块添加进来，Model面板如图14所示.其中，gear模块在动网格生成时会自动添加进入，点击gear模块，在Properties属性面板输入图中所示参数.图14中，在时间定义项Time Definition中Number图14 模块与旋转参数设置of Revolutions表示仿真的圈数，Time Steps Per Drive Gear Tooth Rotation表示仿真每转动一个齿的迭代步数，在配置参数区Pump Configuration是主、从齿轮的齿数及中心坐标，在角速度定义区Angular Velocity Definition中，选择旋转方向以及转速的具体定义.点击几何实体，基于选定的空化模型，进行边界条件的设定，具体为：点击Geometric Entities面板下的第一个切换按钮Group Entities byVolumes/Types，切换为Boundaries显示模式，点击进口面inlet-inlet，在属性面板区的Model选项卡下会出现如图15(a)所示的选项，选择进口Inlet和输入进口压力，同理，点击出口面如图15(b)一样输入所需的参数.图15 进、出口边界条件设置在创建齿轮转子区动网格时以及转动参数设置时，驱动齿轮和从动齿轮的边界条件会自动添加，结果如图16所示，分别为drive-gear和slave-gear的边界条件，其余的边界面默认为壁面，可根据需要自行更改.图16 主、从动齿轮边界条件设置边界条件设置好后，接着设置介质参数，在图17中，选定体Volumes，在属性面板中，设置介质的相关参数.图17 介质参数设置5 仿真运行及后处理通常，为得到流体域中某一具体点的特征值以及特征曲线，需要建立监测点.本仿真以困油区内的困油压力为例，在图18中，点击几何实体面板下的Create a Monitoring Point按钮，并在属性面板中的Geometry选项卡下，将类型Type 选取为Prescribe Motion，因为随着齿轮的旋转，监测点的位置会被齿轮轮廓周期性的遮挡，把监测点设置为动态的，即在增加该点的设置入该点所处的位置，就会实时地显示出该点压力曲线.图18 创建监测点接着，在Simulation仿真面板上，做仿真前的最后准备.在图19中，选择所需的时间定义类型，可根据需要修改仿真的总旋转圈数，Number of Iterations为每计算一步的最大的迭代次数，Simulation Time(Duration)和Number of Time Steps分别代表旋转给定圈数的总时间以及总的仿真步数，Result Saving Frequency表示结果的保存频率，每运行10次就保存1次，保存的结果可以用来导出仿真动画.其数值越小保存的结果文件就越多，导出的动画连续性就越好，同时，导出的结果文件可以通过Load Result按钮加载，显示保存时的仿真状态.最后点击Start按钮，开始进行仿真运算.图19 仿真参数设置图20中，选中所有的Volumes，在Result面板中将变量Variable选定为presure，并在Min和Max处设置好压力的显示区间.图20 压力云图点击功能区的Add XY-Plot按钮，添加曲线，这里添加2条曲线作为演示，选中Plot1，点击曲线图左侧的Click for Variable List按钮展开变量列表，点击处于流体域中的点Point10，这时在变量列表中就会出现存在的空化以及流动性的一些指标，选中Presure，点击上方的Plot Selected Variable图标，就可以显示出该点的压力曲线.选中Plot2，点击Geometric Entities面板下的切换按钮Group Entities by Volumes/ Types，切换为Boundaries显示模式，同时选中inlet-inlet，outlet-outlet进出口面，在出现的变量列表中选中Mass Flux或者Volumetric Flux并点击Plot Selected Variable，就会同时出现这2个面的质量流或体积流，点击Combine Entity Data into a single Curve图标，对进出口面的质量流或体积流求和.仿真完成后，残差曲线、压力曲线以及进出口质量流的曲线如图21所示.其中，图21(a)为总步数的残差曲线图，点击右下角的切换按钮可以显示单步的残差图，可见所有的曲线都在-1以下，表明每一步计算都是收敛的，计算结果可靠.图21(b)为所创建的12个监测点所监测出的一个困油循环的实时压力曲线.图21(c)为进出口质量流以及两者之和.图21 残差、压力、质量流曲线6 结语本研究借助UGNX和Pumplinx软件，阐述了齿轮泵从建模到仿真的完整流程及细节重点，为Pumplinx软件运用于齿轮泵内部的学习、模仿和实践提供了详细的步骤，为后续容积泵开发及空化性能分析等提供了可借鉴的思路.参考文献：【相关文献】[1]李玉龙.外啮合齿轮泵困油机理、模型及试验研究[D].合肥:合肥工业大学,2009.[2]李玉龙.基于低速困油模型的外啮合齿轮泵高速困油特性分析[J].农业工程学报,2012,28(9):35-39.[3]Vacca A,Guidetti M.Modelling and experimental validation of external spur gear machines for fluid power applications[J].Simul Model Pract Th,2011,19(9):2007-2031. [4]Zhou J J,Vacca A,Casoli P.A novel approach for predicting the operation of external gear pumps under cavitations conditions[J].Simul Model Pract Th,2014,45(6):35-49.[5]柏宇星,孔繁余,何玉洋,等.齿轮油泵非定常压力脉动分析[J].机床与液压,2015,43(9):110-113.[6]李玉龙,袁影,吴柏强,等.泵用齿轮副根切重合度的公式创建[J].机床与液压,2017,45(1):85-88.[7]Yoon Y H,Park B H,Shim J,et al.Numerical simulation of three-dimensional external gear pump using immersed solid method[J]．Appl Therm Eng,2017，118:539-550.[8]吕亚国,刘振侠,黄健.外啮合齿轮泵内部两相流动的数值模拟[J].润滑与密封,2017,31(1):17-21.[9]吴炳胜,王建,马戎,等.Fluent12在齿轮泵流场仿真中的应用[J].机械传动,2013,37(7):134-136.[10]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):134-137.[11]Frosina E,Senatore A,Rigosi M.Study of a high-pressure external gear pump with a computational fluid dynamic modeling approach[J].Energies,2017,10(8):1113-1132. [12]何渊博,梁银川,张小卫.齿轮泵进口流道设计对汽蚀性能的影响[J].燃气涡轮试验与研究镇江,2014,27(4):39-41.。

基于油液特征模型的外啮合齿轮泵数值仿真分析高彦军;谷立臣;焦龙飞【摘要】为研究油液的物理特性对齿轮泵脉动及噪声的影响机理,运用FLUENT对齿轮泵的二维内部流场进行模拟研究,对比分析了有无油液的压缩性、粘度对齿轮泵内部流场及泵出口脉动的影响.仿真结果表明:考虑压缩性较不考虑压缩性时,流量脉动系数增大了3.43%,压力脉动系数增大0.2%;考虑粘度变化较不考虑粘度变化时,流量脉动系数减小1.54%,压力脉动系数减小0.08%;考虑油液特征模型较不考虑时噪声增大了2.7dB.仿真与实验结果相吻合,为开展齿轮泵的非线性流体动力学及减振降噪等方面的研究提供了理论依据.%In order to research the affected mechanism of the physical characteristics of oil on the pulsation and noise of the gear pump, the software FLUENT was used to simulate the two-dimensional internal flow field of the gear pump during the situation whether considering the compressibility and viscosity of the fluid or not. The simulation results revel three special characteristics:(1)Compared with the model without considering compressibility, that the flow ripple coefficient increases by 3.43% and the pressure fluctuation coefficient increases by 0.2%.(2)When the viscosity change is considered, the flow fluctuation coefficient decreases by 1.54% and the mean value of pressure fluctuation is reduced by 0.08%.(3)Considering the oil compression model, the model noise is increased by 2.7dB. The simulation results are in agreement with the experimental results, which builds the theoretical basis for the research of nonlinear fluid dynamics, vibration insulation and noise reduction of gear pump.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】4页(P209-212)【关键词】齿轮泵;油液特征;脉动特性;减振降噪;数值仿真【作者】高彦军;谷立臣;焦龙飞【作者单位】陕西交通职业技术学院汽车工程学院,陕西西安 710018;西安建筑科技大学机械电子技术研究所,陕西西安 710055;西安建筑科技大学机械电子技术研究所,陕西西安 710055【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH137.5齿轮泵由于结构简单、体积小、质量轻、抗污染敏感性小等优点，在液压传动与和流体控制技术中占有很大的比重[1]。

在现代工业和制造业中，液压设备使用无处不在，而液压泵更是液压系统中的重要组成部分。

常见的液压泵包括齿轮泵、柱塞泵、螺杆泵以及叶片泵等，其中齿轮泵的应用范围最为广泛。

齿轮泵是通过壳体和啮合齿轮包围的容积变化来控制液体吸排和使其增压的回转泵。

齿轮泵的主要优点为整体结构紧凑、体积较小、重量轻、工作可靠性高、对油液污染不敏感以及自吸特性强等。

常见的齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵，其中外啮合齿轮泵的结构简单、利于制造和维护，且总体成本较低，所以使用范围更为广泛。

而基于外啮合齿轮泵的结构特点在油液吸排过程中会产生压力脉动，压力脉动伴随油液流经外啮合齿轮泵各个部分，在管道及相关零部件产生振动，并通过外啮合齿轮泵壳体对外辐射噪声。

现在对于外啮合齿轮泵研究大多集中在齿轮泵结构优化和外啮合齿轮泵内部流场研究，很少针对外啮合齿轮泵零部件进行静力学和动力学有限元仿真分析。

本文使用Workbench 对外啮合齿轮泵相关部件进行静力学与动力学分析，根据分析得出的结果为齿轮泵结构设计和工程试验提供理论支撑。

1　理论计算基础与仿真流程有限元分析法是各类工程问题求解中最为常见的一种方法。

对于一个具有弹性结构的连续系统，通过有限元方法对其进行离散化，可得到n 个自由度离散系统的动力学平衡方程，如式（1）所示。

[]{}[]{}[]{}(){}M x C x K x F t ++=（1）式中，[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚性系数矩阵；{x}为位移矢量；{F}为力矢量。

结构受到静态载荷的作用时，惯性和阻尼可以忽略，并且当结构处于静力平衡状态时，此时充分约束，质量对结构没有影响。

在很多情况下，如果载荷周期远远大于结构自振周期，则结构惯性效应能够忽略，该情况可简化为线性静力分析。

在线性静力机构分析中，所有与时间相关的选项都被忽略，具体如式（2）所示。

[K ]{x }={F }（2）外啮合齿轮泵的相关零部件模型属于无阻尼多自由度线性振动系统，其运动学方程如式（3）所示。

外啮合齿轮泵内部两相流动的数值模拟吕亚国;刘振侠;黄健【摘要】应用动网格和气穴模型,对某外啮合齿轮泵进行三维数值模拟研究,分析齿轮泵的总体性能和内部流场特性,得出齿轮泵流量随进口压力减小的变化规律,模拟其内部气穴的产生、运输以及破灭过程.计算结果表明,在齿轮泵的工作过程中啮合处会产生气穴.若泵进口腔的压力较高,气穴就会随着工作液的填充而迅速消失,齿谷输送的工作液中不会包含气穴,齿轮泵的流量只会随进口压力的降低略微下降；若泵进口腔的压力过低,气穴不但难以消失,而且还会被齿谷输送走,导致齿轮泵质量流量迅速下降.齿轮泵进口压力越低,则输送的工作液中气体所占的比体积越高,质量流量下降越明显.%The overall performance and internal flow field of an external gear pump was numerically simulated using 3D two-phase unsteady method. Results show that cavitations are created in the work progress of gear pump. If the inlet pres sure is high enough that cavitations will be filled with liquid rapidly and the mass flow will decrease slightly as the decrea sing of inlet pressure. If the inlet pressure is low enough that cavitations can't be filled rapidly. Cavitations will be sent to the outlet and the mass flow will decrease obviously. Mass flow will decrease accelerative as the inlet pressure decreasing lower.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2012(037)001【总页数】5页(P17-21)【关键词】外啮合齿轮泵;两相流;气穴;数值模拟【作者】吕亚国;刘振侠;黄健【作者单位】西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072;西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072;西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TH325外啮合齿轮泵具有结构简单、工作可靠和对工作液清洁度不敏感等优点，在各行业中被广泛地应用［1－2］。

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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基于FLUENT的外啮合斜齿轮泵内部流场的仿真与分析的开题报告一、研究背景和意义外啮合斜齿轮泵作为流体传输领域中的一种重要装置，具有体积小、流量大、流体输送平稳等特点，被广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造等领域。

传统的外啮合斜齿轮泵的设计和优化过程主要依赖于试验和经验，整个过程繁琐、耗时费力且效果不理想。

而流体力学仿真技术可以对外啮合斜齿轮泵内部流场进行精确的数值模拟和分析，为其设计和优化提供重要的科学依据。

因此，开展基于FLUENT的外啮合斜齿轮泵内部流场的仿真与分析具有重要的研究意义和实际应用价值。

二、研究内容和方法本文以某型号的外啮合斜齿轮泵为研究对象，基于FLUENT数值模拟软件，采用计算流体动力学(CFD)方法，对其内部流场进行仿真和分析。

具体研究内容包括以下几个方面：1. 确定数值模拟的边界条件和模型参数，对外啮合斜齿轮泵的几何模型进行建模。

2. 对基本物理过程进行建模，如连续性方程、动量方程和能量方程。

3. 采用不同的网格划分方式和网格精度，对仿真效果进行对比和分析，确定最优的网格划分方法。

4. 对仿真计算结果进行分析和对比，研究外啮合斜齿轮泵内部流场的流速、流量、压力等物理参数的分布规律。

5. 基于分析结果，对外啮合斜齿轮泵进行优化设计和改进，提高其性能指标和效率。

三、预期成果和创新点本研究预期通过基于FLUENT的外啮合斜齿轮泵内部流场的仿真与分析，得到以下的主要成果：1. 精确模拟和分析外啮合斜齿轮泵的内部流场，获取其流场分布规律和流动参数。

2. 提供一种基于流体力学仿真的外啮合斜齿轮泵设计和优化方法，极大地提高其设计效率和准确性。

3. 探索新型外啮合斜齿轮泵的设计理论和改进方法，丰富相关领域的研究成果和理论体系。

本研究的主要创新点在于：1. 基于流体力学仿真技术开展外啮合斜齿轮泵的设计和优化，提高了其设计效率和准确性。

2. 研究新型的外啮合斜齿轮泵的设计理论和改进方法，为该领域的研究提供新的思路和方向。