基于FLUENT的液压齿轮泵二维流场性能研究

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基于FLUENT的液压齿轮泵二维流场性能研究

齐丽君1门文强2

（1、辽阳技师学院，辽宁辽阳111000

2、辽阳石化热电厂，辽宁辽阳111000）

摘要：齿轮泵结构简单，体积小，自吸能力强，广泛应用于各种机械设备中。建立外啮合齿轮泵物理模型，采用FLUENT流体软件研

流量计算的精度究齿轮泵二维流场，分析液压齿轮泵的稳定性能和使用寿命等工作性能。研究表明随着出口压力的下降和速度的增加，

增加；研究还证实，齿轮泵流场间隙的大小是影响齿轮泵工作性能的基本因素。

关键词：齿轮泵；FLUENT；二维流场；数值模拟分析1概述

液压泵是液压系统的心脏，液压泵通过产生逆压梯度驱动流体流动力学液压泵实现了机械能和机械动力或者静压力间的转化，主要动。

应用于以相对较小的压力下产生较高流速的场合[1]。液压泵具有悠久的历史，古埃及人利用液压泵原理实现了灌溉用水。液压泵具有很久的使用和研究历史，但是关于齿轮泵流场瞬态变化的文献却几乎没有[2]。

齿轮泵通过轮齿的啮合实现流体的位移传输，目前，很多学者从事于齿轮泵性能的提高与改善，主要研究通过减小齿轮泵尺寸和增加压力和转速的措施来改善齿轮泵的性能[3]。Iyoi和Ishimura通过数值模拟已经证实，齿轮泵无法消除动力波动，只能降低波动，齿轮泵的效率与齿轮泵旋转件的间隙直接相关[4]。

齿轮泵外形简单，但由两齿轮反向旋转产生的流体状态却很复杂。通过研究齿轮泵较高的反向压力分布，对齿轮泵进行瞬态流分析来预测流场的稳定性。应用FULENT流体软件，应用其动网格技术可以很好研究齿轮泵的流态，获得齿轮泵内瞬时速度场和运动形式，建立一个可以接受的齿轮泵内部流场模型，以便提高齿轮泵的稳定性[5]。

2液压齿轮泵模型

齿轮泵由一对齿轮相互啮合，齿轮的端面由前后端盖密封，在齿轮泵内部形成两个密封的空间。当齿轮旋转时，左侧轮齿脱开啮合，露出齿间该部分容积增大，形成局部真空，液压油在大气压作用下由吸油口进入，完成吸油过程。随齿轮转动，充满油液的齿间槽旋转到右侧，由于右侧轮齿逐渐进入啮合，齿间被轮齿填塞，容积减小液压油被挤出，经

实现齿排油口流回到液压系统，完成压油过程。随着齿轮的不断旋转，

轮泵的吸油和压油。

外啮合齿轮泵的排量为：q=2πm2ZB其中m为模数；Z为齿数；B为齿宽。齿轮泵参数如下：泵排量V=500cc/rec，转速ω=500~3500r/min，进出口直径D=25mm，Z=13，m=4，液压油密度ρ=881kg/m3，粘度μ=0.04048kg/m-s，耐压Pmax=3500pa，工作温度T：-40~70°。

3液压齿轮泵仿真

3.1几何构型与网格划分。在SolidWorks中构建齿轮泵的三维模型，然后将齿轮泵投影视图导入CAD，对齿轮泵进行处理后导入专门的网格划分软件Gambit中，实现对齿轮泵的网格划分，并设定压力输入

网格划分结果如下：9714入口，压力输出出口，液压油由入口流向出口。

个单元，15117个面以及5402个节点，最小体积为7.256397e-005m3。

3.2求解参数。对外啮合齿轮泵作如下假设：流体是恒温的牛顿流体，具有不可压缩性，流体初始状态是静止的，并忽略体力的作用。基于上述假设，建立坐标原点在驱动齿轮中心的笛卡尔坐标系，采用标准的K-Epsilon模型：

力的增加，质量流下降；随着流速的增大，质量流也增加。图2表明流速与不同出口压力下的质量流的关系，质量流速率比理论值都小，约为理论值的75%，这是由外壳与齿轮间的间隙以及齿轮间由高压流向低压的间隙导致的。

齿轮泵压力云图表明，齿轮间隙处存在负压力，由于液压油从高压区流向低压区，局部速度高导致负压力现象，但是实际中负压力是不存在的，说明在单相流分析的控制方程中，极低的局部压力会产生气穴。齿轮泵流场内最大的压力位置位于轮齿啮合区域，并且最大压力随着速度和出口压力的增加而增大，如图3所示。齿轮泵速度矢量图表明：齿轮啮合的高压区和低压区内速度达到最大，并且最大速度随着出口压力的增加而增大，如图4所示。

齿轮泵数值模拟过程中，动网格采用profile函数，驱动齿轮顺时针

隐式求解器，旋转，从动轮逆时针旋转。采用PressureBased的非定常、

并采用标准的K-Epsilon模型，对于求解器的控制则采用PISO的压力-速度耦合形式，并使用二阶迎风格式，时间步长设为0.0001，监测余差值设为1e-6，以判断解的收敛性。

3.3齿轮泵的动态分析。根据齿轮泵内部压力变化的速度分布和压力分布，得到流速和出口压力与质量流的关系。图1表明，随着流动阻

从图4可知，轮齿间存在回流，回流耗散了很多能量，降低了齿轮

泵的效率；回流还影响齿轮泵运转的稳定性，降低齿轮泵的使用寿命。可通过提高齿轮转速或者降低压力的方式减小回流的影响。

4结论

建立齿轮泵模型，应用FLUENT对液压齿轮泵的二维流场进行数值模拟，深入分析齿轮泵二维流场的压力云图和速度矢量图等，得到如下结论：a.流体计算精度随着速度的增加而提高，还得出齿轮泵间隙是影响齿轮泵工作性能的最大因素；b.齿轮泵二维流体模型计算出的质量流速率比理论值低，即容积效率约为理论的75%；c.出口的回流会降低齿轮泵的效率和使用寿命，可通过降低压力等办法解决回流的影响。

参考文献

[1]JamesSullivan.\"FluidPower,TheoryandApplications,4thEd\".Pren-tice-Hall.1998.

[2]JaroslavIvantysynandMonikaIvantysynova.\"HydrostaticPumpsandMotors\Tbi,2003.

[3]RoquetP,Enhanceddesignofhighpressuregearpumpsusingenvi-ronmen-tallyacceptablehydraulicfluids,ECOPUMP,BRITE-EURAM-projectBE-95-1046,1998.

[4]CastillaR,Gamez-MonteroPJ,CodinaE.Turbulenceininternalflowsinminihydrauliccomponents.CIMNE，2005:241-51.

[5]YogendraPanta.\"NumericalFlowAnalysisofGearPump\YoungstownStateUniversity,2004.