基于FLUENT的单柱塞泵动态模拟

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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。

    最后我们分别看一下两个往复期间的速度和压力动画。

速度

压力