内啮合摆线泵结构设计及流固耦合仿真分析

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目前在摆线泵数值模拟方面,多数研究基于CFD(Computational Fluid Dynamics)对不同运行工况(如转速、温度等)下的泵进行分析,很少有学者采用流固耦合(FSI,fluid structure interaction)分析方法研究摆线泵的特性。首先基于COMSOL软件建立了摆线泵的模型,对旋转域采用动网格技术,对流固耦合界面进行设置,设置相应的边界条件后对泵进行CFD和FSI仿真,并通过试验验证了仿真模型的可行性,发现耦合后的仿真结果更接近真实,采用FSI仿真结果更加精确;进一步基于FSI仿真对摆线泵旋转域、进排油腔的横纵截面流动进行分析;最后基于FSI的分析结果对摆线泵进行优化设计,并将不同转速下优化和未优化的摆线泵性能进行对比。研究结果表明:1)通过对比CFD、FSI和试验的结果,验证了仿真模型的可行性,得出FSI的仿真结果更接近真实;2)进一步通过对比内外转子间流体域的某一截面速度和压力得出:得到的压力CFD>FSI,计算得到的速度CFD<FSI;在内外转子与流体耦合界面某点处CFD的压力随时间的波动值均大于FSI的压力值,通过比较CFD和FSI在不同温度下的最大压力分布,得出CFD压力随时间的波动大于FSI压力随时间的波动。3)通过对旋转域分析得出:封闭区域A在吸油阶段,A0→A2产生的负压大于A3→A5;封闭区域A在排油阶段,A6→A8产生的正压力低于A9→A11产生的正压力。4)通过对进油腔分析得出:在-18 mm<x<-5 mm,z<-8 mm区域由于产生的负压较低造成吸油能力低,液体出现横向。通过对排油腔分析可以得出:在z<-8 mm区域油液由左侧高压区横向流到右侧低压区,阻碍了右侧低压区的油液流出油管,从而造成出口流量降低。5)对摆线泵进、出油腔进行了优化设计,比较了不同转速下优化前后摆线泵的性能,在1500 r/min时,优化后的摆线泵流量压力特性均得到了改善;在3000 r/min时,优化后摆线泵流量特性得到了提升。通过对摆线泵进行结构设计,对比摆线泵的不同研究方法,采用更符合实际的FSI分析方法对摆线泵进行分析,并对摆线泵进行优化设计,最终形成了一套摆线泵结构设计与分析的方法,为其它流体机械的分析与设计提供参考。
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