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。 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。 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。 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。 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。