滚柱泵U型槽内流场分析

， ， 　(.九江职业技术学院 机电工程学院， 江西 九江　33007； .南昌大学 机电工程学院， 江西 南昌　33003)

引言

滚柱泵是一种新型容积式液压泵其结构简单、体积小，却能够在高压下实现大排量[1]。滚柱泵采用无配流轴的端面配流方式，其中侧面排液，端面吸液，更加简化了泵的内部结构，提高了泵的可靠性[2]。

由于滚柱的直径要略小于U型槽的开口，用以保证柱塞腔与叶片腔通过一个间隙连通在一起，如图1所示。在该滚柱泵排液的过程中， 两个腔的液体可以同时通过侧面开槽连通，共同从侧面的开口排除。而间隙的大小直接影响滚柱泵排液时的压力及速度变化，所以本研究通过采用计算流体动力学的仿真软件Fluent，利用动网格和UDF编程对滚柱在U型槽中做往复运动时的流体状况[3，4]，分析槽内液体的压强和速度的分布与变化规律。

图1　滚柱泵容积示意图

1　建立计算模型

1.1　几何模型的简化

由于滚柱泵的截面厚度都是相同的，所以可以把复杂的三维模型简化成较为简单的二维模型，同时由于各个槽中滚柱运动的状态是相同的，所以只需要仿真分析其中一个槽的滚柱运动就可以。因为实际情况中U型槽的开口不利于设定出口条件，所以在模型中延长U型槽的两侧挡板长度，可以完整的包容滚柱在槽内运动。最后根据简化的情况，通过Gambit软件对滚柱的运动建立二维几何模型。

1.2　边界条件的设定

根据模型仿真的运动条件，对模型的各个边界设定边界条件。U型槽的右边可设为出口，且由于滚柱处在压液阶段，故该出口的边界条件可以设为压力出口(pressure-outlet)。其余的边界都可以设为壁面(wall),详细边界如图2所示。

图2　模型边界边界条件

out——出口：压力出口(pressure-outlet)；

deform1——变形边界：壁面(wall)；

deform2——变形边界：壁面(wall)；

roller——运动刚体：壁面(wall)；

wall——封闭口：壁面(wall)；

slid_wall——侧方壁面：壁面(wall)。

2　动网格设置

要使用动网格功能，就要使用UFD功能进行编程，利用Fluent提供的C语言二次编程的接口调用C编程的文件，对滚柱在U型槽中的运动进行模拟仿真。通过Complied载入UDF的编程文件，编译、装载后，就可以在动网格的设定中选用该运动函数。

该滚柱运动的速度公式为：

(1)

载入包含该运动公式的程序后就可以对动网格的参数进行设置。在网格模式Mesh Methods中要选用Smothing和Remeshing两种网格运动变形模式[5,6]。因为在动网格运动变形的过程中，由于网格的质量不够高，网格的变化容易出现负体积等错误现象，所以一般选用两种变化模式可以避免该错误的发生。

如果在动网格运动当中还出现负体积的错误现象，可以通过改变两种方式的参数设置来调整网格的变形。

动网格区域的设定主要有三个，其中边界deform1和deform2设为Deforming变形区域；边界roller设为Rigid Body 刚体。图3为滚柱运动到不同位置时网格的变化情况。

图3　模型动网格的变化

从图中网格的变化可以看出，U型槽里面的网格受到滚柱移动的挤压，造成网格变得密集，且密集集中的部位在滚柱的附近；而U型槽外部的网格收到滚柱的拉伸，密集的网格分散开来，尤其是在滚柱右侧的网格变得稀疏了。但这种变形还在网格的承受范围内，说明网格的质量达到了完成此次流场特性分析的要求。

3　计算结果的分析

滚柱泵在运动过程中，液体的运动是非常复杂的，其流速以及压力都随着泵的转动，滚柱的往复运动不断变化。所以通过流体仿真分析出滚柱做压缩运动时液体速度及压力的变化。

3.1　压力分布分析

滚柱在往U型槽内运动的过程中，U型槽的水受到滚柱的挤压，压强必然上升；而U型槽出口部分的水受到外界环境压力为20 MPa，靠近滚柱部分压强受滚柱运动影响而降低。图4中描述了滚柱运动的两个不同运动阶段时的压强分布的变化情况。

可以明确看出在运动初期滚柱运动速度在上升期间，U型槽内压强增加，而滚柱与U型槽接触的位置处压强最高，图4a中此处压强可达21.4 MPa；运动中期滚柱的运动速度到达较高的位置，图4b中此处压强为21.5 MPa；运动末期滚柱运动速度不断降低，图4c中此处压强为21.2 MPa。

在滚柱与U型槽的间隙处可以看出，其中的压强随着滚柱的运动越来越低，刚起步时此处压强还是高于外界压强的，当滚柱不断向内压入，此处压强变为整个流域压强的最低处。

U型槽开口处在滚柱刚开始运动时，压强有下降的趋势，尤其是靠近滚柱与U型槽接触点的区域。此处受到滚柱运动，造成体积瞬时增加，压强降低，图4a中此处压强为19.9 MPa。之后，外界的水充分补充了增大的体积，图4b与图4c中此处压强为20 MPa与环境压强相同。

图4　压强分布变化

3.2　速度矢量分布分析

U型槽内受到滚柱的挤压， U型槽内部体积减小，压强上升，液体必然通过间隙流向外部，外部体积增大，压强略降，出口出必然有部分从外部流入。

图5a中，滚柱运动起步阶段，U型槽内部液体有明显向外流的速度趋势，且速度在滚柱与U型槽间隙处达到最大,此处的速度大小达到4.36 mm/s；而滚柱与U型槽接触处也有液体流动，不过流速都不高，基本是随着滚柱的运动方向运动。外部逆流的速度最大可以高大7.18 mm/s，主要集中在滚柱与U型槽接触的位置附近。

图5b中，滚柱运动了一段时间，其运动速度也比较高，此时U型槽内液体运动也得到加快，尤其是在滚柱与U型槽间隙处速度矢量明显增大。此处的速度大小为23.5 mm/s，而滚柱与U型槽的接触点附近液体速度变化不明显，但方向依旧与图5a相同。

图5c中，滚柱的运动状态到接近后期，其运动速度继续提升，此时U型槽内液体从间隙处出去后直接流向出口处，不用补充滚柱外U型槽扩充的体积。

图5　速度矢量分布变化

三个速度矢量分布图中在出口处都有一部分负的速度矢量，那是由于在设定的出口处出现了回流。当滚柱向内运动时，增加的体积来不及从挤压出的液体处得到补充，所以从出口处引入了部分液体，而挤压出来的液体则直接流向该压力出口。

3.3　间隙不同的对比分析

前面流场分析中滚柱的直径为29 mm，U型槽的直径为30 mm。为了分析滚柱与U型槽间隙的大小对滚柱运动流场特性的影响，再对一个间隙大一点的模型进行流场特性分析，用于对比研究滚柱直径的大小对双作用椭圆轨道滚柱泵流场特性的影响。

故取滚柱半径为14 mm，可得到网格模型。

通过与之间相同参数程序的设置，同样获得在t=0.0060 s 时的压强分布与速度矢量分布，如图6所示。

图6　间隙增大后压强速度分布

图6a中压强分布与之前滚柱半径取29 mm时的分布类似，但其压强在各个阶段的变化趋势变缓，变化的值也减小了；滚柱与U型槽接触处的内部区域压强比同一运动时期间隙大的压强要低一些，此处压强值为2.04 MPa；而滚柱与U型槽间隙处的压强要高一点，此处压强值为18.3 MPa。可知高压区的面积明显有所减少，压强渐变区域增大使得压强的变化更加平稳了。这些变化都是由于排水的间隙增大，导致滚柱对U型槽内液体挤压力减小的缘故。

图6b中速度矢量的分布基本状态与之前的流场仿真相同， 同样在间隙处的流速要明显低于之前的仿真图形，此时间隙处的流速为17.7 mm/s。而在出口处，出现了小面积的负速度矢量，这恰恰证明了由于间隙的增大，挤压出来的液体可以直接补充U型槽外部增大的体积，只有少部分通过从出口吸入补充。

4　结论

(1) 通过U型槽内滚柱运动的流场特性研究表明U型槽内液体压强上升并朝着滚柱与U型槽的间隙处流动，水的流速在间隙处达到最高后向出口流出，流速则不断降低，出口处还出现逆流现象；

(2) 滚柱半径越大，滚柱与U型槽之间的间隙就越小。在滚柱运动的过程中，U型槽内压力上升，并随着滚柱半径的增大而增大，间隙处的压力随着滚柱半径的增大而减小；

(3) U型槽内液体受到运动中的滚柱挤压，通过间隙处流向U型槽出口处。在滚柱的运动过程中，间隙处的流速达到最高，并随着滚柱半径的增大而加快，而出口处出现负的速度矢量面积也随着滚柱半径的增大而增加。

参考文献：

[1]柯尊荣，陈舰，陈凯.双作用椭圆轨道滚柱泵输出特性[J]. 农业机械学报，2014,2(45):320-327.

[2]邹云飞，刘晋川. 径向柱塞泵配流方式的研究进展[J]. 液压气动与密封，2011,(1):1-4.

[3]张凯,王瑞金,王刚. Fluent技术基础与应用实例(第2版)[M]. 北京：清华大学出版社,2010.

[4]史忠军，徐敏，陈士橹．动网格生成技术[J]．空军工程大学学报(自然科学版) ，2003,(2):61-64.

[5]李锐，侯友夫. 基于 Fluent 动网格技术的乳化液泵分析[J]. 液压与气动，2011,(8):35-37.

[6]黄思,杨国蟒,苏丽娟. 应用动网格技术模拟分析滚动转子压缩机的瞬态流动[J]. 流体机械,2010,(1):11-14.