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]。

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。

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]. 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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
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潜水泵压力脉动与非定常特性数值分析摘要：为了对潜水泵的压力脉动特性进行研究，笔者决定选择基于ANSYS CFX软件对潜水泵的压力进行系统性的压力脉动模拟分析。

结果证明，在潜水泵的一个压力周期之内，叶轮中叶片的工作面以及背面的压力脉动均具有明显的周期性，并且均出现了五大波峰：蜗壳壁面上的静压均值由Ⅰ-Ⅷ断面均呈现了先增大后缩小的趋势，在隔舌处的静压均值经测定是大于I断面处的；而在蜗壳的内部监测点处，其主频都明显地表现出其与叶频的具体数值所相关，同时，I断面处的蜗壳和叶轮在动静干涉方面最为明显。

最后，模拟结果准确地从侧面表明了潜水泵内部所受的压力脉动情况，从而真正地为减少潜水泵的内部压力脉动以及噪声形成的解决提供了重要的理论依据。

关键词：潜水泵；压力脉动；叶轮；蜗壳；非定常特性；数值分析引言笔者发现有关潜水泵内部压力脉动的相关研究却是绝大多数潜水泵研究人员没有涉及到的[2]。

因此，笔者决定，通过运用CATIA来建立潜水泵的三维模型，然后将ANSYS软件应用于对潜水泵压力脉动的监测上面。

最终达到揭示潜水泵中叶轮以及蜗壳壁面的压力在时间和流量的变化中所蕴含着的变化规律，从而为实际减少潜水泵的内部压力脉动提供最为准确的数据参考。

1.对非定常压力脉动的监测1.1监测点的布置过程笔者分别在半径为25、35、45和55 mm等处的叶轮工作面及其背面来进行监测点的布置工作。

在隔舌和I-Ⅷ的断面还有蜗壳的中间对陈勉的交接处均需要对蜗壳的壁面测点进行设置。

2.2对叶轮所收到的压力脉动的分析将非定常数值在计算时的收敛精度设置为10^-5。

为了防止在进行频谱分析时发生频谱泄露的现象，可以将计算时间设置为6个周期，并设置叶轮每旋转3°为一个时间步长。

由于压力脉动在第6个周期时既达到稳定状态，因此笔者以第6个周期为例来进行分析。

下图（图1）即为叶轮半径分别为25、35、45以及55 mm时工作面以及背面监测点的食欲图。