Численное исследование гидродинамики шестеренного насоса с внешним зацеплением

  • Руслан Альфредович Билалов Акционерное общество «ОДК-СТАР»; Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • Олег Юрьевич Сметанников Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Ключевые слова: шестеренный насос, погруженное тело, ANSYS CFX, кавитация, численное моделирование, подвижные границы

Аннотация

Представлена трехмерная численная модель, описывающая процесс работы шестеренного насоса с учетом турбулентности и кавитации. Предложенная модель реализована в пакете прикладных программ ANSYS CFX. Алгоритм моделирования подвижных границ (вращения шестерней) основан на методе «погруженного тела» (Immersed Solid). Учет образования кавитации в течении вязкой несжимаемой жидкости проведен с применением гомогенной двухфазной модели. Проверена адекватность разработанного численного аналога: на его основе осуществлен анализ устойчивости и сходимости решения. Проведена серия вычислительных экспериментов, соответствующих опытно-конструкторскому этапу создания топливной системы перспективного газотурбинного двигателя. Получены технические характеристики насоса - расход, зоны локализации и степень кавитации. Приведены результаты моделирования для различных режимов работы исследуемого агрегата, различающихся скоростью вращения шестерней. Выполнено сравнение расчетных расходов по модели течения однофазной (без учета кавитации) и двухфазной сред с данными теоретического расчета по инженерной методике. Показаны и обоснованы предполагаемые места образования зон кавитации и ее уровень. Рассмотрено кавитационное течение реальной жидкости (авиационного керосина): в зависимости от скорости вращения шестерней исследована локализация и относительный объем областей, подверженных кавитации, ее концентрация, возможное влияние на расходно-технические характеристики насоса и его износостойкость. Результаты моделирования представлены в виде функциональных зависимостей и картин расположения кавитационных зон. Разработанная численная модель шестеренного насоса позволяет проводить вычислительные эксперименты вместо дорогостоящих натурных и давать рекомендации по превентивному улучшению конструкции еще до изготовления опытных образцов изделия.

Литература


  1. Юдин Е.М. Шестеренные насосы. М.: Машиностроение, 1964. 238 с.

  2. http://electronpo.ru/kavitaciya-nasosa (дата обращения: 24.08.2020).

  3. Arndt R.E.A. Cavitation in fluid machinery and hydraulic structures // Ann. Rev. Fluid Mech. 1981. Vol. 13. P. 273-328.

  4. Brennen C.E. Hydrodynamics of pumps. Concepts ETI Inc., 1994. 293 p.

  5. Franc J.-P., Michel J.-M. Fundamentals of cavitation. Kluwer Academic Publishers, 2004. 321 p.

  6. dʼAgostino L., Salvetti M.V. Fluid dynamics of cavitation and cavitating turbopumps. Springer, 2007. 351 p.

  7. Сметанников О.Ю., Ильиных Г.В. Разработка мероприятий по исключению или снижению до приемлемых значений кавитационных явлений в шестеренном насосе: отчет о НИР. Пермь: ПНИПУ, 2015. 151 с.

  8. Родионов Л.В., Иголкин А.А., Гафуров С.А. Моделирование рабочего процесса шестеренного насоса. Самара, 2012. 115 с.

  9. Castilla R., Gamez-Montero P.J., del Campo D., Raush G., Garcia-Vilchez M., Codina E. Three-dimensional numerical simulation of an external gear pump with decompression slot and meshing contact point // J. Fluids Eng. 2015. Vol. 137. 041105. https://doi.org/10.1115/1.4029223

  10. Frosina E., Senatore A., Rigosi M. Study of a high-pressure external gear pump with a computational fluid dynamic modeling approach // Energies. 2017. Vol. 10. 1113. https://doi.org/10.3390/en10081113

  11. Yoon Y., Park B.-H., Shim J., Han Y.-O., Hong B.-J., Yun S.-H. Numerical simulation of three-dimensional external gear pump using immersed solid method // Appl. Therm. Eng. 2017. Vol. 118. P. 539-550. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.03.014

  12. Močilan M., Husár Š., Labaj J., Žmindák M. Non-stationary CFD simulation of a gear pump // Procedia Engineering. 2017. Vol. 177. P. 532-539. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.257

  13. Mithun M.-G., Koukouvinis P., Karathanassis I.K., Gavaises M. Numerical simulation of three-phase flow in an external gear pump using immersed boundary approach // Appl. Math. Model. 2019. Vol. 72. P. 682-699. https://doi.org/10.1016/j.apm.2019.03.022

  14. Castilla R., Gamez-Montero P.J., Ertürk N., Vernet A., Coussirat M., Codina E. Numerical simulation of turbulent flow in the suction chamber of a gearpump using deforming mesh and mesh replacement // Int. J. Mech. Sci. 2010. Vol. 52. P. 1334-1342. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2010.06.009

  15. Strasser W. CFD investigation of gear pump mixing using deforming/agglomerating mesh // J. Fluids Eng. 2007. Vol. 129. P. 476-484. https://doi.org/10.1115/1.2436577

  16. Liang J., Luo X., Liu Y., Li X., Shi T. A numerical investigation in effects of inlet pressure fluctuations on the flow and cavitation characteristics inside water hydraulic poppet valves // Int. J. Heat Mass Tran. 2016. Vol. 103. P. 684-700. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.07.112

  17. Гайнутдинова Д.Ф., Модорский В.Я., Козлова А.В. Вычислительное моделирование области возникновения кавитации при вибрациях // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 6. С. 127-129.

  18. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Физматлит, 1987. Ч. 1. 464 с.

  19. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Физматлит, 1987. Ч. 2. 360 с.

  20. Панов Л.В. Численное моделирование кавитационных течений вязкой жидкости в гидротурбинах: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2014. 19 с.

  21. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. Т. 1. 504 с.

Опубликован
2020-12-30
Как цитировать
Билалов, Р. А., & Сметанников, О. Ю. (2020). Численное исследование гидродинамики шестеренного насоса с внешним зацеплением. Вычислительная механика сплошных сред, 13(4), 471-480. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.4.37
Раздел
Статьи