基于旋转套筒分配流动系统的流场分布与工作脉动仿真研究

摘要

为了解决由旋转套筒分配流动系统的流场分布和工作脉动障碍引起的泄漏，振动和噪声的问题，通过滑动网眼开发柱塞和旋转套筒的控制流体动力学（CFD）模型的控制装置和动态网格技术模拟流场和工作脉动。仿真结果表明，存在以下问题：显着的流量脉动中的周期性波动和尖锐的角落，当流体在放电和抽吸之间转化时，落后流动，以及在过渡运动中阻尼槽围绕阻尼槽的严重湍流和动能的大损失。当柱塞处于顶部死点（TDC）时，泵室中的压力迅速上升至2.2MPa，其涉及比标称压力超过额定压力超过10％。考虑到在两个过渡运动中的阻尼槽的位置和流量区域的变化。短暂的压力过冲逐渐降低到正常情况下，流量区域增加。类似地，当柱塞处于底死中心（BDC）时，泵室中的压力瞬时滴到饱和蒸气压-98.9kPa。随着流量面积的增加，过冲逐渐增加到正常情况。本研究提供了研究旋转套筒分配流动系统的流场特性和结构优化的基础。

1.介绍

分配流动系统是液压系统最重要的组件，由于鲁棒性，可控性和宽的工作范围，流体电力行业广泛应用于流体电力行业。然而，阀门的分配流动系统控制的流量具有许多缺点，包括散装质量，大的压力损失，噪音，并抵抗高频，这可能会因为流量脉动而容易引起噪音和振动[1］．针对这些问题，提出了一种新型的旋转套配流系统，利用柱塞的往复运动和旋转套的单轨旋转来实现配流功能。密封可靠，效率高，受工作频率影响小。为了进一步提高旋转套配流系统的性能，可以对其流动特性进行理论研究;然后，该系统有效地减少了对泵的损害，如不良的噪音、振动和空化，甚至降低了泵的工作可靠性[2- - - - - -4］．

流量脉动是柱塞泵的一个重要特性，它与柱塞泵内部流体的压力波动、回流和噪声密切相关。考虑到影响流动纹波的因素，通过结构优化关注过程中的流动纹波，可以有效降低泵内噪声[5］．Dhananchezhiyan和Hiremath [6[，]报道了微泵不同驱动频率下的流量脉动与压力脉动有关。因此，为了更好地理解流动过程，有必要对流动脉动和压力脉动进行深入研究[7］．

近年来，人们对流场分布和工作脉动进行了广泛的分析和模拟研究。特别是在许多流体领域和水力研究中，CFD模拟被广泛应用。Luo等[8[]利用CFD技术建立了绝热除湿机模型，并对其内部传热传质过程进行了模拟。Ma et al. [9使用具有用户定义功能的新型CFD模型来模拟泵的流体特性并预测流动纹波。同时，在不同的工作参数（例如转速和工作压力）下测试流动纹波。Delele等。[10.基于欧拉欧洲多相的CFD模型进行了研究，该模型可以预测流体流动曲线并研究鼓转速的影响。此外，它们使用了粒子和流体速度的实验结果和停留时间来验证模型仿真。

在CFD模型中不断采用滑动网格和动态网格技术，以完善其仿真功能，灵活地将各种运动应用到模型中。王(11.利用动力学CFD模型来模拟轴向活塞泵的空化，它采用九个活塞的可压缩流体泵模型。Guo等人。[12.]研究了Fluent®的滑动网格法，模拟球阀关闭过程中的动态行为。此外，Vitagliano等人[13.]在流场区域内生成滑动网格，并与不同转速条件下的滑动边界连接，模拟表面相对运动的非定常流动。

幸运的是，一些研究人员已经找到了减少工作脉动以降低噪声的有效方法。李等人[14.，15.]研究了计算出的精确时压场和损失产生过程，建立了涡轮系统诱导流动脉动的因果关系。Alves等[16.]的研究发现，将CFD建模和分析技术相结合是预测偏心管离心抽油系统油流量的一种很好的方法。Palmberg领导的研究小组在排肾槽和吸肾槽之间的瓣膜板上设置预压缩体积[17.］．他们发现，较小的预压缩体积可以令人惊讶地减轻噪音、脉动和液压冲击等巨大问题[18.，19.］．轴向柱塞泵配流盘采用由阻尼孔、缓冲腔和节流孔组成的预压液路，可在一定程度上减小流量脉动[20.］．

本文旨在通过开发一种新型的旋转套配流系统来降低振动和噪声，并通过CFD仿真分析湍流能量、速度和工作脉动之间的关系。此外，还研究了反向流量、流量脉动和压力波动对其影响。建立了具有相关参数的完整的仿真模型，能够较清晰地描述流动特性。为配流系统的结构优化和性能改进提供了理论基础。

2.旋转套筒分配流动系统的工作原理

在本节中，开发并分析了一种新型的旋转套筒配流系统。由曲柄连杆机构拉动的柱塞实现耦合往复运动，然后利用驱动销沿凸轮槽道将力传递到旋转套筒进行单向旋转运动。通过二次微分拟合线性方程得到的凸轮槽型线、转动套筒的转动角度、曲柄角度，驱动销随凸轮槽型线滚动运动。数字1介绍了高频率、高效率大流量旋转套配流系统的工作原理及组成。

在该系统中有两大运动:柱塞的轴向往复运动和旋转套筒的单向旋转运动。柱塞完成往复运动的曲轴和连杆机构通过一个连接器十字滑块。柱塞在往复运动中的位移公式为: 在哪里为弯曲轴的半径，是关于曲轴和连接杆机构的曲柄角， 曲柄与连杆的比例，和是链接长度。

由于 ，柱塞位移的衍生物关于时间可以表示为: 在哪里是弯曲轴的角速度。

凸轮槽选用正弦模压线时，旋转套的角速度和加速度没有明显的相位阶跃和拐点。因此，凸轮槽轴向位移与转套角度的关系为: 在哪里柱塞冲程和是围绕中心轴线旋转的旋转套筒角。

用(1) (3.），旋转套筒角度关于曲柄角度获得如下：

通过求导得到旋转套筒的角速度在(3.)可以表示为: 在哪里期间是正数吗 和是负数 和 ．

3.模型和方法

3.1。流体模型

根据旋转套配流系统的结构和工作原理，建立了如图所示的流体模型2，模型显示主要部件有加载室、进口、泵室、集气室、出口、旋转套等。

本文利用流体仿真软件Fluent®对流体模型进行了仿真分析。使用用户自定义功能在流体模型中定义柱塞和旋转套筒的运动。标准采用湍流模型和SIMPLE算法进行仿真。根据流体模型的具体运动特性，采用了滑动网格技术和动态网格技术。模型参数和边界条件定义见表1．

３．２．空化模型

空化模型基于流体力学中变密度和标准黏度的Navier-Stokes流动方程。本文考虑粘性和湍流，以气液两相流动为研究对象，给出考虑气体质量含量的传输方程:[21- - - - - -24]： 在哪里为气液混合物的平均密度，为气态质量含量，和分别表示气泡产生和消失的速度，表示在二维流动中的气相的平均速度，表示有效的传输效率。

基于Rayleigh-Plesset的气泡动态方程，可以通过表面张力术语下的气泡半径的变化来描述气泡动力学，并且如下所示的等式中的第二衍生项： 在哪里是泡沫的半径,是压力,是气体的临界压力，为气体饱和压力，湍流引起的压力，是气体密度，和为平均流体密度。

将质量传输方程与连续性方程组合，混合物密度和体积分数的关系描述如下： 在哪里为气体体积分数。

如果气泡数字是在单位体积中，相对于气泡半径的气体体积分数可以表示如下：

用(9) (8），如下取得混合物和气泡动力密度的关系如下：

根据上述等式，可以分别描述生成和消失中的气泡的速度，如下：

气体体积分数与平均速度成比例，并且平均速度可以用湍流能量表示。当介绍表面张力系数的泡沫系数时，也可以分别描述生成和消失中的气泡速度，如下： 在哪里和表示经验常数，分别 ， ， 和为气泡表面张力系数。

3．3．湍流模型

湍流能量代表湍流的波动，直接反映了流体流动的耗散和稳定性。如果湍流能在某些区域较大，这些区域会失去更多的动能，变得更不稳定[16.］．标准的在Reynolds上模型的湍流普通Navier-Stokes方程应用于我们的湍流能量的模拟和耗散率定义如下[22，23]： 在湍流粘度湍流动能是基本未知量的函数吗和耗散率表示为: 在哪里和基本未知量是标准的吗模型,分别。对于不可压缩流体，给出相应的输运方程为 在哪里湍流能量的产生是由平均速度梯度产生的，定义为 在哪里 ， ，和分别为经验常数， ， ， ，和为Prandtl值，分别对应湍流能量和耗散率， ， 和 ．

4.结果和讨论

4.1。湍流能量分布

一个工作循环的湍流能量分布如图所示3.．可在旋转套筒角度为180°和360°时显示。在特定区域有明显的亮点区域标志，这一现象表明湍流能量在特定区域增加。如图所示3.， 180°和360°的角度恰好是排吸发生相互转换的时候。因此，突出区域周围的流场极不稳定，动能损失很大。

4.2。速度分布

的速度分布一个工作周期内配流系统的方向如图所示4．如图所示4即，在10°的旋转套筒角度，速度梯度和速度幅度增加，同时增加湍流能量，如图所示3.．此外，在180°和360°旋转套筒角度时，阻尼槽周围的流速幅值为负值，湍流能量增加。结果表明，阻尼槽周围的流动状态是不稳定的。

数字5显示了旋转套筒从排放到吸力旋转时阻尼槽周围的速度矢量分布。此时，柱塞从上止点下降;在临界状态下，加载腔与阀口分离;如图所示，加载腔内存在由惯性效应引起的微弱流体流动5（一种）。此外，阻尼槽瞬间与收集室和阀门端口连接，如图所示5(b)图中模拟结果5（b）示出了暂时的向后流动从收集室流入阀口，并且由于泵室中的高压以及收集室中的低压（差压为约1.9MPa，导致阻尼槽周围的剧烈湍流。（差压为约1.9MPa）），其中差压导致从收集室流入泵室的向后流动降低了体积效率。

数字6显示了旋转套筒从吸入到排出旋转时的局部速度矢量分布。此时，柱塞从下止点(BDC)上升;如图所示，阻尼槽与加载腔和阀口快速连接6(一)图6（b）表明，由于阀口中的高压以及负载室中的低压，瞬态向后流动从阀端口流入装载室导致阻尼槽周围的剧烈湍流。同时，差压导致向后流动从泵室流入装载室，这可以严重降低体积效率;装载室在临界状态下与阀门端口分离;并且存在由装载室中的惯性效应引起的细微流。

4．3．工作脉动分析

4.3.1。不同阀口结构的流量脉动

数字7以结构化网格生成为例，论证了配流系统的网格划分。滑动栅格选项为栅格静态进出口部分与阀口外部部分、阀口内部部分和泵室静态部分之间的滑动面提供栅格接口。活塞运动采用动态网格模型，其中泵腔部分采用移动和变形网格。在网格中，整体网格的最大参数为1;不同部位的局部网格参数不同;网格总数为397602。

流量脉动是柱塞泵噪声、压力脉动和振动的来源。它会对工作部件，特别是某些精密液压系统产生不利的影响。因此需要强调的是，流体特性对于配流系统的流量脉动是最有意义的。数字8表明出口流显示出最大流量约为5×10的周期性波动⁻⁴米^3./s和回流出现在过程的末端，即吸入和排出。可以看出，这些分析与图中的发现是一致的5和6．此外，它看起来瞬时向后流量约为2.2×10⁻⁴米^3./s根据图中TDC对应的左变焦图9，包括两个工作周期。同样，它看起来瞬时向后流量约为2.6×10⁻⁴米^3.根据右变焦在图中对应于图中的BDC的曲线图9．

4.3.2。不同阀口结构的压力脉动

倒流、局部空化、冲蚀等现象容易引起内部压力脉动。压力脉动一旦发生，就会引起泵的剧烈振动和空化甚至共振。数字10.在压力脉动的死区显示周期性波动和明显的尖角。作为局部变焦的图，包括图中的两个工作周期10.，在图中左边缩放11.描绘了泵室中的压力迅速上升，直到它达到2.2×10⁶当柱塞处于上止点时，由于阻尼槽中的节流作用，Pa的压力比公称压力高出10%以上。然而，压力超调逐渐减小到正常状态，随后流动面积增加。当柱塞处于下止点时，由于阻尼槽的节流作用，泵腔内压力突然降至流体的饱和蒸气压约为−98.9 KPa;然而，随着流动面积的增加，超调量逐渐增加到正常状态。

5。结论

（1）根据新型旋转套筒分配流动系统的特征，建立柱塞和旋转套筒之间的控制方程以获得分配套筒系统的动态模型。通过利用滑动网格和动态网格技术，采用所考虑的空化和湍流的改进的CFD模型来模拟流场和工作脉动。（2）基于控制方程和改进的CFD模型，对旋转套配流系统进行了仿真研究。研究了湍流能量分布、速度分布和工作脉动等主要性能参数。此外，还研究了配流系统各性能参数之间的关系。（3)流量脉动除存在排吸倒流问题外，还存在周期性波动和尖角现象。阻尼槽周围存在严重的湍流和较大的动能损失。柱塞在上止点时，压力脉动出现明显的周期性波动和尖角，泵腔压力迅速上升至2.2 MPa，比公称压力高出10%以上。另一方面，当柱塞位于下止点时，泵腔内压力瞬间降至饱和蒸气压(−98.9 KPa)。在剩余的时间段里，压力超调逐渐趋于稳定，直到它随着流动面积的增加而接近正常状态。流场和工作脉动仿真可为结构优化提供依据。

的利益冲突

作者宣布关于本文的出版物没有利益冲突。

致谢

中国自然科学基金（Grant No.51575286）和山东省科学基金会支持研究工作（2014 ZRB01503）。

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