轉子泵出口球閥動(dòng)態(tài)特性計算與分析
利用FLUENT軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，通過(guò)對轉子泵出口球閥的運動(dòng)特性及轉子泵內部流場(chǎng)進(jìn)行仿真計算和可視化分析，得到出口球閥運動(dòng)參數的變化曲線(xiàn)和轉子泵內部流場(chǎng)的分布情況。仿真分析結果表明：3組球閥的速度、升程、受力隨轉子的轉動(dòng)呈周期性變化；由于初始條件和邊界條件不同，所得仿真曲線(xiàn)與球閥運動(dòng)規律的數學(xué)模型計算曲線(xiàn)有所不同，但變化趨勢是一致的；在轉子相互嚙合區，壓力值最小，變化梯度最大，且最小值隨轉子的轉動(dòng)而變化。
長(cháng)期以來(lái)，國內外出現了很多種油氣混輸泵，有螺桿泵、軸流泵、液環(huán)泵、葉片泵、轉子泵等。但在含氣量較大工況時(shí)，上述油氣混輸泵極易產(chǎn)生氣阻失效。針對傳統混輸泵產(chǎn)品存在的缺陷，提出了一種新型內壓縮轉子式油氣混輸泵。通過(guò)在該泵出口處增設3組出口球閥，從而消除了氣阻，增添了內壓縮特性，提高了油氣混輸功能與泵效率，且可防止回流、降低沖擊噪聲。
鑒于目前尚無(wú)轉子泵出口球閥理論與設計技術(shù)，擬應用動(dòng)態(tài)數值模擬的相關(guān)理論及借鑒往復泵球閥最新發(fā)展成果，根據轉子泵工作特性，對轉子泵出口球閥在實(shí)際工作過(guò)程中的運動(dòng)情況和內部流場(chǎng)的分布情況進(jìn)行仿真分析與可視化研究，揭示轉子泵出口球閥的運動(dòng)規律，為其理論分析與設計提供參考和借鑒。
1、球閥運動(dòng)規律的數學(xué)模型
為便于對轉子泵出口球閥運動(dòng)規律的數學(xué)模型進(jìn)行理論研究，假設：
(1)不考慮流體在液缸內流動(dòng)的摩阻損失；
(2)液缸內各點(diǎn)的流體壓力及密度都相同；
(3)流體動(dòng)力學(xué)封閉方程為均熵流場(chǎng)；
(4)不考慮泵腔內的余隙容積；
(5)不考慮液缸、轉子的變形。
選擇實(shí)型轉子泵球閥的結構如圖1所示。根據球閥運動(dòng)微分方程、液缸內流體流動(dòng)微分方程及初始條件，可推導出描述球閥運動(dòng)規律的數學(xué)模型。其常微分方程組如下：
圖1 球閥結構示意圖
式中：Axd為閥隙過(guò)流面積，m2；
ρxd為流過(guò)球閥間隙的液體密度，kg/m3；
p為液缸內液體壓力，Pa；
α為轉子內圓包角；
pd為泵的出口壓力，Pa；
φ為轉子轉動(dòng)角度；
Vd為閥隙、球閥與閥座形成的空間體積，m3；
ρ為液缸內液體密度，kg/m3；
Vc為泵腔容積，m3；
md為閥球質(zhì)量，kg；
ξ為流量系數，0.50～0.67；
Avd為閥球工作面積，m2；
υ為球閥運動(dòng)速度，m/s；
h為球閥升程，m；
pod為球閥開(kāi)啟時(shí)液缸內液體壓力，Pa。
球閥的仿真條件如下：閥座孔半徑rd=0.032m，閥座半錐角δ=45°，閥座倒角長(cháng)度l=0.005m；閥球半徑Rd=0.045m，閥球材質(zhì)鋼的密度ρd=7850kg/m3。液壓油密度ρ=856kg/m3。
利用MATLAB軟件，采用龍格—庫塔方法對上述微分方程組進(jìn)行數值計算，求解得球閥升程、速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)分別如圖2、圖3所示。
圖2 數值計算閥球升程變化曲線(xiàn)
圖3 數值計算閥球速度變化曲線(xiàn)
分析以上變化曲線(xiàn)圖可知：隨著(zhù)排液過(guò)程的進(jìn)行，閥球的升程越來(lái)越大，但升程變化速率減小，當閥球達到最大升程以后，將懸浮于升程最大值附近的某一固定高度；在球閥開(kāi)啟瞬間，閥球獲得很高的開(kāi)啟速度而呈跳躍式開(kāi)啟，此后，閥球速度逐漸減小，當閥球達到最大升程時(shí)，速度近似減小為零且保持恒定。
4、結論
利用FLUENT軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對轉子泵出口球閥的運動(dòng)特性及轉子泵內部流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬，歸納總結可得出以下結論：
(1)在轉子泵動(dòng)態(tài)模擬的動(dòng)畫(huà)圖示中，可直觀(guān)顯示隨著(zhù)轉子轉動(dòng)，球閥速度、升程及泵內壓力場(chǎng)的變化過(guò)程。
(2)轉子在轉動(dòng)的過(guò)程中，3組閥球的速度、升程、受力發(fā)生周期性變化，且由于初始條件和邊界條件不同，所得仿真曲線(xiàn)與球閥運動(dòng)規律的數學(xué)模型計算曲線(xiàn)有所不同，但變化趨勢是一致的。
(3)在轉子相互嚙合區，壓力值最小，變化梯度最大，且最小值隨著(zhù)轉子的轉動(dòng)而變化。
