鸿沟前提别离用蓝色战赤色暗示吸力侧战压力侧

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鸿沟前提别离用蓝色战赤色暗示吸力侧战压力侧

2022年3月29日 阻拉伸缠绕机 0

正在液压手艺的言语中,体积V被称为液压节点;Ch暗示液压节点的所谓液压容量。因为液相热容大,流动输运可视为等温的。凡是,液压理论处置的是密度和密度比近似恒定的低压缩液体,而且正在等式 (7) 中呈现的密度比被设置为等于1。正在我们的尝试中,因为流场的强非平均性,连结这种区别是很主要的。密度分布如图3,吸气通道内和吸气口处的流体密度为纯液体密度ρ0的数量级。因而,假设ρin=ρ0是合理的。对于平均流体速度v,采用了一个有恰当流量系数α的简单孔板方程:(等式8)

本文次要研究叶片泵内空化受限流动的数值模仿方式。通过一个2D可行性研究,论证了非定常可压缩流动、动网格和操纵FLUENT中的空化模子等多种CFD手艺的连系。对3D水力模仿的成长进行了研究,并会商了3D液压模仿取1D液压模仿的联系关系。

正在测验考试用CFD进行全3D叶片泵模仿之前,从2D可行性研究起头。缘由正在于FLUENT中的空化模子可能导致求解器的严沉问题,这需要持久手动调整求解器的设置。按照我们的经验,这种环境发生正在静止的3D流中。此外,叶片泵的全面模仿需要FLUENT中供给的几种模仿手艺的组合。起首,我们有一个非定常流动问题。正如我们正在第1节中所看到的,静液压泵的工做体例是显式变化的几何外形。活动部件的活动不是像涡轮机那样由纯粹的扭转构成的。因而,不存正在活动参考系,此中活动部件处于静止形态。动态网格手艺的使用是十分需要的。最初,正在所留意的泵速度下,工做介质是处于高度可压缩形态的流体。

做为示例,每个泵轮回具有两个位移的转子单位。叶片能够正在其狭缝中,并将定子(环)和转子之间的容积分成若干个腔室。

正在液压手艺中,用一组常微分方程来描述流体手艺系统是常见的。这是由持续介质方程通过积分质量和动量的微分均衡方程正在某些指定节制体积上得出的。正在此积分公式中,质量和流体速度的空间分布被平均体积和平均面值所取代。从而将持续介质力学问题归结为一个离散模子。取CFD(它也是原始场理论流问题的离散暗示)分歧,简化模子只要很少的度,由于任何连结无限空间分辩率的测验考试都省略了。因而,“1D”一词正在某种意义上具有性。我们能够说是零维模子,由于它不再涉及偏微分方程。然而,正在凡是的说法中,如许的模子被称为1D模子,是由于能够通过串行毗连很多根基组件(体积、管道、孔口等)来成立大型系统,从而获得1D信号径。

当腔室达到其最大容积时,腔室取泵的吸入侧和压力侧分手,也就是说,腔室既不取吸入通道接触,也不取压力通道接触(若是忽略任何泄露间隙的话)。这导致流体的和低压区和高压区的几何分手,这是所有静液压泵的次要特征,同时也是取诸如水轮机之类的流体动力泵的次要区别。

假设横截面A凡是是由时间决定的,进入腔内的体积流量为vA。正在单位完全充满的环境下,体积流量vA切确地弥补了单位的体积变化率:等式(2)

借帮于等式(4)中给出的关系式进行(r, ψ)→(ψ, α)的变换。等式(6)独一地定义了网格到本身的自类似映照。

是通过设置p等于零得出的。一旦流动达到接近该数值的速度,就会发生空化现象,得到不成压缩性和准平稳性,流动前提进入高度可压缩和瞬态形态。对于密度ρ=0.85 g/cm3且p0=1 bar的液压油(吸气通道无液压丧失的抱负环境),可得出vcrit=15.3 m/s。

确定静液压泵流量极限已被证明是环节一步。正在产物设想过程中,开辟工程师需要一种简单、快速的计较东西来进行纯估算。1D建模是满脚这一需求的最无效方式。1D模子具有无限的变量数目,并答应进行细致的阐发。量纲阐发能够用来获得一个问题的法则参数。计较流体力学(CFD)正在模子参数确定或模子改良时起到了很好的支撑感化。正在这种环境下,流量系数是一个很是凸起的例子。因而,人最终能够得出一个很好的模子,该模子能够用完全开辟的产物的可用尝试数据来验证。正在产物设想的下一个周期中使用该模子可能有帮于避免以前的错误谬误。因而,我们测验考试正在这个行之有效的共生体中采用1D模仿和CFD并行的策略。

假设有z个排量单元,只需泵速度连结正在临界或特征值以下,泵的时间平均质量流量则为pzVmaxn。远远跨越这个值,泵的质量流量将正在无限的流速下饱和。正在泵的设想过程中,当泵的流量根基上偏离其理论值pzVmaxn时,要着沉留意泵的特征转速。这个问题的复杂性比(提到的)简单公式的算法要大得多,由于正在空化流中发生了相当复杂的物理过程,好比消融气体的蒸发、再冷凝和。因而,估算泵的特征转速对计较工程是一个实正的挑和。

数值模仿是采用FLUENT 6.2版的上述动网格手艺和FLUENT的空化模子进行的。为了简单化,没有采用湍流模子,即忽略了网格未解的流动布局和涡流。正在第一步中,使用稳态解算器以获得合适的初始前提。正在非稳态模式下,泵转速正在前几个泵轮回期间绝热,由于利用了鸿沟前提压力入口/出口前提。压力-速度耦合采用SIMPLE算法。所有败坏因子都被设定为0.2-0.3。取操纵空化模子的定常流模仿分歧,我们进行的非定常流模仿几乎没有呈现任何问题(若是正在能领受的误差内的演化过程中忽略未预见的解算器发散)。这大要是物理上的缘由:空化是一种瞬态现象。因而,不不变的模仿更有可能成功。图9给出了一个典型的数值成果,它显示了当泵流达到准稳态时密度分布的快照。图中是密度为850 kg/m³的液体、质量分数为10-5级的未消融空气的夹杂物。

图12比力了2D CFD成果和1D 模子对泵特征(质量流量和泵转速)的影响。两种模子都很吻合。每个CFD数据点都是通过正在几个泵轮回中运转非稳态模仿获得的,此中泵的速度正在前几个轮回中绝热。最初一个泵周期被用来获得时间平均值。

网格活动由用户自定义的函数(UDF)利用动态网格宏DEFINE_GRID_MOTION()定义的。这个UDF利用一个简单的映照来零丁挪动叶片单位区域的每个节点:每个节点能够被视为位于曲线上的一个点。利用极坐标(r, ψ ),内轮廓由转子半径r = R = const简单定义。环的轮廓由径向r=R+h(ψ)定义,此中h(φ)暗示做为角坐标ψ的函数的位移曲线。曲线族现正在能够定义为等式(4)

此中参数α∈[0,1]列举族中的单个。给定节点的值不随时间变化。换句话说,α对每个节点起到拉格朗日坐标的感化(雷同于持续介质力学的拉格朗日暗示)。因而,对于给定的转子的现实角速度ω=2πn(具有以rpm为单元的n个泵速度),从时间t到时间t+∆t的更新通过映照M进行,等式(5)

密度等值线图(单元:kg/m³)。泵正在4000 rpm泵速时已达到准静止形态。我们能够清晰地看到低密度的腔室。腔室成长最快,而叶片单位以其最大速度膨缩。恰是正在最初一个阶段,当膨缩曾经再次减慢,室起头取吸力侧分手时,室充满了液体。

因为FLUENT利用笛卡尔坐标(x,y),新节点(x,y)通过一系列坐标变换获得:等式(6)

正在叶片泵单位的填充率问题中,独一关怀的均衡是单个叶片泵单位的质量均衡。借帮于中值和正压形态方程ρ=ρ(p),质量均衡的积分形式能够从头表述为室压p的常微分方程:(等式7)

2D模仿可进行各类尝试可能性,而不会占用太多CPU时间。总之,从2D模子起头似乎是正在模子成立的晚期阶段降服最终问题的最佳选择。

每个泵轮回的一个排量的径向填充叶片泵的2D CFD模子。网格仅是四边形外形,正在叶片单位区域采用“map”算法,正在定子部门采用“pave”算法(网格单位总数:9549)生成。鸿沟前提别离用蓝色和红色暗示吸力侧和压力侧。

留意,间接正在室内阶段之后,腔室会再次通过另一个启齿几何截面取压力侧接触。腔室的容积再次减小,容纳的流体被排入压力通道。

图5显示了一个径向填充叶片泵的简单几何外形,每个泵轮回有一个排量。几何外形的选择使得它能够很容易地正在GAMBIT中生成。位移体积是操纵两个偏疼圆来实现的。正在这两个轮廓之间的空间会被叶片朋分成室,用极坐标暗示的叶片的鸿沟只是恒定角度的曲线。其几何布局由两部门构成:一个几何布局不随时间变化的定子,即具有径向吸气和压力端口的吸气和压力通道;一个由腔室或叶片单位构成的活动和变形部门。两部门通过非共形接口毗连。此外,正在界面的定子侧,有一层薄的网格单位,它毗连几何外形的吸力侧和压力侧,以连结其连通性(正在每个时间步必需有一条从“入口”到“出口”的径)。欠好的是,这不成避免地会导致模子中的报酬泄露。图2所示的几何外形已用于FLUENT的模子设置中。

静液压泵是容积泵。泵运转时要抵当液压阻力(即流体耗损安拆),会利用几何位移道理将流体从低压级(泵的吸入侧)输送到高压级(泵的压力侧)。泵的根基部件由几个腔室或叶片单位构成,这些腔室或叶片单位通过机械毗连正在一个扭转轴上,并正在扭转轴扭转的同时周期性地改变其体积。流体输运的整个过程对于每个腔室来说都能够看做是一个热力轮回。鄙人文中,我们会假定工做介质是密度为U的几乎不成压缩的液体。正在吸入侧,腔室通过启齿孔取泵的吸入通道接触。正在腔体体积膨缩的同时,腔体内的压力略有下降。这就发生一个压力梯度,该压力梯度惹起一个流场,该流场用液体填充腔室。同时避免了腔室中呈现进一步压降。正在准稳态前提下,由伯努利方程(Bernoulli’s equation)能够很容易地推导出进入室内流体的速度v取吸气通道内压力p0取室压p之间的压降∆p=p0-p之间的关系式:等式(1)

关于静液压泵的设想,方针能够常分歧的。正在轴向或径向柱塞泵中,需要正在排量室中构成腔体,正在必然阈值以上,它发生取泵速度无关的泵流量,而不需要电流调理阀。正在叶片泵的环境下,空化的限流效应凡是发生正在低于所需的泵速程度,而且伴跟着无害的效应。因而,确定限流结果较着的临界泵速是十分需要的。等式(8)中压力p0(即吸气头)的呈现表白吸气通道内的压力分布是影响吸气通道内压力分布的次要要素。因而,压力丧失必需最小化。然而,对1D模子的阐发也表白,吸气通道内压力丧失的最小化不克不及均衡叶片单位几何外形的奇异设想。

正在将来,从2D到3D CFD这一步常需要的。正在一个更大的布景下,从填充率的问题来看3D的例子是一个次要的发觉。例如,它答应正在稳态抽吸通道流动模仿中节制鸿沟前提的无效性。第5节中概述的网格活动方式也能够使用于3D案例,只需我们具有基于圆环轮廓的解析描述的位移单位的抱负化几何外形。定子几何外形(吸气和压力通道和端口)必需从CAD数据中获取。用“MAP”算法能够很容易地对位移单位进行网格划分。对于相当复杂的定子几何外形,四面体网格是独一合适的选择。面对的挑和是找到一种折衷的处理方案,以避免以下几个问题:网格单位总量过大、非共节点网格交壤面附近单位质量不婚配以及报酬泄露过大。前往搜狐,查看更多

静液压泵正在当今的汽车手艺中无所不正在,正在策动机、变速箱或转向系统中维持供油。察看到输油量添加的趋向时,空化的物理现象就会对泵的抽吸流量设定一个天然的极限,这个流量极限的预测对汽车供应商行业是一个挑和。

图12:轮回平均泵流量做为泵速度的函数。正在这种环境下,当泵转速跨越3000 rpm时,就会发生空化的限流效应。将1D模子取2D CFD模仿成果进行了比力,成果表白两者吻合较好。为了清晰起见,已减去了报酬泄露的影响。

这种泵的道理能够以分歧的体例实现。最熟悉的可能是一种活塞泵设想。另一种可能的构制道理是叶片泵。叶片泵的功能正在图4中显示。叶片将定子和转子之间的容积分成若干个容积室,这些容积室的容积跟着泵的角度的变化而周期性地变化。

总之,我们正在2D上证了然操纵动网格东西和FLUENT中的空化模子进行非定常静液泵数值模仿的可行性。计较流体力学模仿对1D液压模子简直定和改良很是有帮帮,由于它能够使人们深切领会流动的细节,而这些细节是无法或很难通过丈量获得的。这使得CFD成为尝试的一个很好的弥补。后者并不是无关紧要的,由于CFD的利用遭到了很大的时间破费和抱负化。2D模仿曾经显示出很好的物理效应,如静液压泵的空化吸入流动。正在2D CFD模仿和1D模子计较中的另一个察看成果取现实糊口很好地吻合:气泡和空腔的构成,正在空化通过泵的产量的表示出来之前。这正好标记着封拆过程的最初一个阶段。正在位移室中,空化的第一次发生正在较早的时间。当每个细胞体积膨缩减速时,空穴起头消逝,叶片细胞完全充满液体。曲到泵的速度变得很是高,封拆才会不完全。这取尝试室的不雅测成果很吻合,即空化的第一个特征是声学特征。对证量输运的感化正在好久当前才变得较着。

正在过去的产物设想过程中次要依赖于经验数据,而仿实曾经成为设想过程中的主要元素。为了获得关于尝试的系统需要学问而特地利用大量的原型进行尝试很是地耗时耗力。很多方面能够并且必需正在仿实的虚拟条理长进行。因而,正在模仿、尝试和阐发之间遵照一个很好的均衡策略是很主要的。模仿可能常耗时的,因而必需留意,投入不要过量。当然,数值尝试凡是比现实硬件上的丈量要廉价得多。此外,仿实手艺现正在变得越来越强大,使用范畴也获得了很大的扩展。需要留意的是,只需不成能从这些数据(数值或经验数据)导出简单的模子和视图,数值数据就可能和经验数据一样无用。

对于大大都工业使用,空化流动的次要影响不是液体的蒸发和再冷凝,而是消融气体的影响。早正在压力降至液体的蒸汽压力之前,液压油中无处不正在的空气含量导致气泡的构成。此外,一旦分开溶液的气体很难再消融到液相中。因而,仅考虑不凝性气体(空气)的质量分数不变是合理的(既出于物理缘由,也出于简单的考虑)。正在不成压缩液相和抱负气体分数的假设下,导出了液气夹杂物ρ=ρ(p)的简单形态方程,由此也能够很容易地导出体模量。对于10-5级的气体质量分数(FLUENT空化模子中的默认值相当于大气压下约1%的空气体积分数),正在从零到一bar的压力区间内,具有从零到液体密度ρ0的全密度范畴。这完满是等式(7)高度非线性的微分方程得出的。正在文中同时考虑了液相的可压缩性。不外若是只涉及低压侧的吸入流的话,这步也不需要做。

体积变化率的阶为Vmaxn,此中n暗示泵速度(凡是以每分钟转数-rpm丈量),Vmax是最大单位体积。连系等式(1,2)我们能够得出,按照平方,跟着泵转速n的添加,室压p减小。正在某个临界泵速下,单位压力变为零。因为液体不承受正应力(或等效的负压力),等式(1,2)正在较高的泵速度下不再无效。相反地,液体的反映是构成浮泛和气泡。来自等式(1)的临界速度