基于FLUENT的单柱塞泵动态模拟

1年前浏览2182

正文共： 1343字 10图预计阅读时间： 4分钟

1 前言

柱塞泵依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作腔的容积发生周期性变化来实现吸液和压液，其吸入和排出阀都是单向阀。当柱塞外拉时，工作腔内压力降低，出口阀关闭，进口阀打开，液体进入；柱塞内推时，工作腔内压力升高，进口阀关闭，出口阀打开，液体排出。显然，柱塞泵的流量是不连续的，存在脉冲，实际应用中为了使介质供应平稳，通常会在出口配合液体脉冲阻尼器。今天，我们做一个单柱塞泵的动态模拟，演示其工作原理。

2 建模与网格

建立如下的二维平面柱塞泵，进出口管道高5mm，工作腔宽度40mm，柱塞行程50mm。进出口阀均用一个面来替代，通过边界类型的转换来模拟阀门的启闭，因此整个流体域被分为3个子域。

3 求解设置

介质为水。

采用瞬态求解。

采用标准k-e湍流模型。

入口采用压力入口，全压为0Pa。

出口采用压力出口，表压为0Pa。

创建动网格，工作腔左右两侧为deforming

顶面（柱塞底部）为刚体运动rigid body，采用profile文件定义运动，代码如下：

((ylocation 5 point)(time 0 0.1 0.2 0.3 0.4)(y 0.105 0.055 0.105 0.055 0.105))

以上代码定义了柱塞底部的运动轨迹，上下往复运动，行程s=0.05m，一个行程耗时0.1s，即柱塞运动速度v=0.05/0.1=0.5m/s。

定义8个事件event，在每个行程的始末时刻改变进出口阀门的边界类型，wall→interior表示阀门打开，interior→wall表示阀门关闭。

瞬态求解，时间步长0.001s。

创建两个动画，分别显示计算域的速度和压力变化。

创建监视器，分别监视出口流量、出口全压和柱塞底部所受压力。

4 计算结果

先看一下出口流量的变化曲线，一个周期（0.2s）内流过的总流量为20×0.1=2kg，因此该柱塞泵的流量为2/0.2=10kg/s。根据柱塞泵的理论流量计算公式Q=AsnZ，柱塞面积A=0.04m，行程s=0.05，每秒钟往复次数n=1/0.2=5，柱塞数z=1，因此理论流量Q=0.04×0.05×5=0.01m³/s，介质的密度为998.2kg/m³，因此理论流量9.982kg/s，理论计算与fluent计算一致。

再看一下出口的全压曲线，由于柱塞运动轨迹和阀门的切换均忽略了部件的阻尼，因此在切换时刻有压力的突变，我们忽略这个突变，因此该柱塞泵的全压为8000Pa，该全压力实际指的是压出液体时液体的能量增加，这个时段的流量为20(kg/s)/998.2=0.02m³/s。进而该柱塞泵压出液体时的有效功率为N=PQ=8000(Pa)*0.02(m³/s)=160W。

同样地，柱塞底部的压力曲线消去尖峰后如下，压出液体时，压力约为12800Pa，即受力12800×0.04=512N，吸入液体时，压力约为-7000Pa，即受力-7000×0.04=-280N（与运动方向相反），两个时段的瞬时功率（N=Fv）分别为256W和140W。两个时段所做的总功（W=Fs）分别为25.6J和14J，因此一个往复的平均功率为(25.6+14)/0.2=198W。根据以上计算结果，该泵的效率为η=160/198=0.808。

来源：仿真与工程

动网格湍流理论

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2023-07-05

基于FLUENT的单柱塞泵动态模拟

Fluent多孔介质讲解

基于OpenFoam和AI机器学习14讲：使用人工智能建立流体力学中的数据驱动模型

基于COMSOL单向阀的流固耦合分析（回放）

低空经济垂直起降无人机eVTOL仿真前沿技术解析（回放）

航空固定翼垂直起降VTOL无人机Star-CCM 结构流体多场耦合仿真应用案例全教程150讲

OpenFOAM基础入门22讲：适用于OpenFOAM零基础人员学习

跟着帮助文档学STAR-CCM 快速入门进阶与精通180讲-全功能模块案例合集

基于CFD方法计算飞机动导数（Fluent）