， ， 　(.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院， 江西 九江　33007； .南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院， 江西 南昌　33003)

引言

滾柱泵是一種新型容積式液壓泵其結(jié)構(gòu)簡單、體積小，卻能夠在高壓下實現(xiàn)大排量[1]。滾柱泵采用無配流軸的端面配流方式，其中側(cè)面排液，端面吸液，更加簡化了泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了泵的可靠性[2]。

由于滾柱的直徑要略小于U型槽的開口，用以保證柱塞腔與葉片腔通過一個間隙連通在一起，如圖1所示。在該滾柱泵排液的過程中， 兩個腔的液體可以同時通過側(cè)面開槽連通，共同從側(cè)面的開口排除。而間隙的大小直接影響滾柱泵排液時的壓力及速度變化，所以本研究通過采用計算流體動力學(xué)的仿真軟件Fluent，利用動網(wǎng)格和UDF編程對滾柱在U型槽中做往復(fù)運動時的流體狀況[3，4]，分析槽內(nèi)液體的壓強和速度的分布與變化規(guī)律。

圖1　滾柱泵容積示意圖

1　建立計算模型

1.1　幾何模型的簡化

由于滾柱泵的截面厚度都是相同的，所以可以把復(fù)雜的三維模型簡化成較為簡單的二維模型，同時由于各個槽中滾柱運動的狀態(tài)是相同的，所以只需要仿真分析其中一個槽的滾柱運動就可以。因為實際情況中U型槽的開口不利于設(shè)定出口條件，所以在模型中延長U型槽的兩側(cè)擋板長度，可以完整的包容滾柱在槽內(nèi)運動。最后根據(jù)簡化的情況，通過Gambit軟件對滾柱的運動建立二維幾何模型。

1.2　邊界條件的設(shè)定

根據(jù)模型仿真的運動條件，對模型的各個邊界設(shè)定邊界條件。U型槽的右邊可設(shè)為出口，且由于滾柱處在壓液階段，故該出口的邊界條件可以設(shè)為壓力出口(pressure-outlet)。其余的邊界都可以設(shè)為壁面(wall),詳細邊界如圖2所示。

圖2　模型邊界邊界條件

out——出口：壓力出口(pressure-outlet)；

deform1——變形邊界：壁面(wall)；

deform2——變形邊界：壁面(wall)；

roller——運動剛體：壁面(wall)；

wall——封閉口：壁面(wall)；

slid_wall——側(cè)方壁面：壁面(wall)。

2　動網(wǎng)格設(shè)置

要使用動網(wǎng)格功能，就要使用UFD功能進行編程，利用Fluent提供的C語言二次編程的接口調(diào)用C編程的文件，對滾柱在U型槽中的運動進行模擬仿真。通過Complied載入UDF的編程文件，編譯、裝載后，就可以在動網(wǎng)格的設(shè)定中選用該運動函數(shù)。

該滾柱運動的速度公式為：

(1)

載入包含該運動公式的程序后就可以對動網(wǎng)格的參數(shù)進行設(shè)置。在網(wǎng)格模式Mesh Methods中要選用Smothing和Remeshing兩種網(wǎng)格運動變形模式[5,6]。因為在動網(wǎng)格運動變形的過程中，由于網(wǎng)格的質(zhì)量不夠高，網(wǎng)格的變化容易出現(xiàn)負體積等錯誤現(xiàn)象，所以一般選用兩種變化模式可以避免該錯誤的發(fā)生。

如果在動網(wǎng)格運動當(dāng)中還出現(xiàn)負體積的錯誤現(xiàn)象，可以通過改變兩種方式的參數(shù)設(shè)置來調(diào)整網(wǎng)格的變形。

動網(wǎng)格區(qū)域的設(shè)定主要有三個，其中邊界deform1和deform2設(shè)為Deforming變形區(qū)域；邊界roller設(shè)為Rigid Body 剛體。圖3為滾柱運動到不同位置時網(wǎng)格的變化情況。

圖3　模型動網(wǎng)格的變化

從圖中網(wǎng)格的變化可以看出，U型槽里面的網(wǎng)格受到滾柱移動的擠壓，造成網(wǎng)格變得密集，且密集集中的部位在滾柱的附近；而U型槽外部的網(wǎng)格收到滾柱的拉伸，密集的網(wǎng)格分散開來，尤其是在滾柱右側(cè)的網(wǎng)格變得稀疏了。但這種變形還在網(wǎng)格的承受范圍內(nèi)，說明網(wǎng)格的質(zhì)量達到了完成此次流場特性分析的要求。

3　計算結(jié)果的分析

滾柱泵在運動過程中，液體的運動是非常復(fù)雜的，其流速以及壓力都隨著泵的轉(zhuǎn)動，滾柱的往復(fù)運動不斷變化。所以通過流體仿真分析出滾柱做壓縮運動時液體速度及壓力的變化。

3.1　壓力分布分析

滾柱在往U型槽內(nèi)運動的過程中，U型槽的水受到滾柱的擠壓，壓強必然上升；而U型槽出口部分的水受到外界環(huán)境壓力為20 MPa，靠近滾柱部分壓強受滾柱運動影響而降低。圖4中描述了滾柱運動的兩個不同運動階段時的壓強分布的變化情況。

可以明確看出在運動初期滾柱運動速度在上升期間，U型槽內(nèi)壓強增加，而滾柱與U型槽接觸的位置處壓強最高，圖4a中此處壓強可達21.4 MPa；運動中期滾柱的運動速度到達較高的位置，圖4b中此處壓強為21.5 MPa；運動末期滾柱運動速度不斷降低，圖4c中此處壓強為21.2 MPa。

在滾柱與U型槽的間隙處可以看出，其中的壓強隨著滾柱的運動越來越低，剛起步時此處壓強還是高于外界壓強的，當(dāng)滾柱不斷向內(nèi)壓入，此處壓強變?yōu)檎麄€流域壓強的最低處。

U型槽開口處在滾柱剛開始運動時，壓強有下降的趨勢，尤其是靠近滾柱與U型槽接觸點的區(qū)域。此處受到滾柱運動，造成體積瞬時增加，壓強降低，圖4a中此處壓強為19.9 MPa。之后，外界的水充分補充了增大的體積，圖4b與圖4c中此處壓強為20 MPa與環(huán)境壓強相同。

圖4　壓強分布變化

3.2　速度矢量分布分析

U型槽內(nèi)受到滾柱的擠壓， U型槽內(nèi)部體積減小，壓強上升，液體必然通過間隙流向外部，外部體積增大，壓強略降，出口出必然有部分從外部流入。

圖5a中，滾柱運動起步階段，U型槽內(nèi)部液體有明顯向外流的速度趨勢，且速度在滾柱與U型槽間隙處達到最大,此處的速度大小達到4.36 mm/s；而滾柱與U型槽接觸處也有液體流動，不過流速都不高，基本是隨著滾柱的運動方向運動。外部逆流的速度最大可以高大7.18 mm/s，主要集中在滾柱與U型槽接觸的位置附近。

圖5b中，滾柱運動了一段時間，其運動速度也比較高，此時U型槽內(nèi)液體運動也得到加快，尤其是在滾柱與U型槽間隙處速度矢量明顯增大。此處的速度大小為23.5 mm/s，而滾柱與U型槽的接觸點附近液體速度變化不明顯，但方向依舊與圖5a相同。

圖5c中，滾柱的運動狀態(tài)到接近后期，其運動速度繼續(xù)提升，此時U型槽內(nèi)液體從間隙處出去后直接流向出口處，不用補充滾柱外U型槽擴充的體積。

圖5　速度矢量分布變化

三個速度矢量分布圖中在出口處都有一部分負的速度矢量，那是由于在設(shè)定的出口處出現(xiàn)了回流。當(dāng)滾柱向內(nèi)運動時，增加的體積來不及從擠壓出的液體處得到補充，所以從出口處引入了部分液體，而擠壓出來的液體則直接流向該壓力出口。

3.3　間隙不同的對比分析

前面流場分析中滾柱的直徑為29 mm，U型槽的直徑為30 mm。為了分析滾柱與U型槽間隙的大小對滾柱運動流場特性的影響，再對一個間隙大一點的模型進行流場特性分析，用于對比研究滾柱直徑的大小對雙作用橢圓軌道滾柱泵流場特性的影響。

故取滾柱半徑為14 mm，可得到網(wǎng)格模型。

通過與之間相同參數(shù)程序的設(shè)置，同樣獲得在t=0.0060 s 時的壓強分布與速度矢量分布，如圖6所示。

圖6　間隙增大后壓強速度分布

圖6a中壓強分布與之前滾柱半徑取29 mm時的分布類似，但其壓強在各個階段的變化趨勢變緩，變化的值也減小了；滾柱與U型槽接觸處的內(nèi)部區(qū)域壓強比同一運動時期間隙大的壓強要低一些，此處壓強值為2.04 MPa；而滾柱與U型槽間隙處的壓強要高一點，此處壓強值為18.3 MPa?？芍邏簠^(qū)的面積明顯有所減少，壓強漸變區(qū)域增大使得壓強的變化更加平穩(wěn)了。這些變化都是由于排水的間隙增大，導(dǎo)致滾柱對U型槽內(nèi)液體擠壓力減小的緣故。

圖6b中速度矢量的分布基本狀態(tài)與之前的流場仿真相同， 同樣在間隙處的流速要明顯低于之前的仿真圖形，此時間隙處的流速為17.7 mm/s。而在出口處，出現(xiàn)了小面積的負速度矢量，這恰恰證明了由于間隙的增大，擠壓出來的液體可以直接補充U型槽外部增大的體積，只有少部分通過從出口吸入補充。

4　結(jié)論

(1) 通過U型槽內(nèi)滾柱運動的流場特性研究表明U型槽內(nèi)液體壓強上升并朝著滾柱與U型槽的間隙處流動，水的流速在間隙處達到最高后向出口流出，流速則不斷降低，出口處還出現(xiàn)逆流現(xiàn)象；

(2) 滾柱半徑越大，滾柱與U型槽之間的間隙就越小。在滾柱運動的過程中，U型槽內(nèi)壓力上升，并隨著滾柱半徑的增大而增大，間隙處的壓力隨著滾柱半徑的增大而減??；

(3) U型槽內(nèi)液體受到運動中的滾柱擠壓，通過間隙處流向U型槽出口處。在滾柱的運動過程中，間隙處的流速達到最高，并隨著滾柱半徑的增大而加快，而出口處出現(xiàn)負的速度矢量面積也隨著滾柱半徑的增大而增加。

參考文獻：

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