Численное исследование гидродинамики шестеренного насоса с внешним зацеплением
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.4.37Ключевые слова:
шестеренный насос, погруженное тело, ANSYS CFX, кавитация, численное моделирование, подвижные границыАннотация
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.
Скачивания
Библиографические ссылки
Юдин Е.М. Шестеренные насосы. М.: Машиностроение, 1964. 238 с.
http://electronpo.ru/kavitaciya-nasosa">http://electronpo.ru/kavitaciya-nasosa (дата обращения: 24.08.2020).
Arndt R.E.A. Cavitation in fluid machinery and hydraulic structures // Ann. Rev. Fluid Mech. 1981. Vol. 13. P. 273-328.
Brennen C.E. Hydrodynamics of pumps. Concepts ETI Inc., 1994. 293 p.
Franc J.-P., Michel J.-M. Fundamentals of cavitation. Kluwer Academic Publishers, 2004. 321 p.
dʼAgostino L., Salvetti M.V. Fluid dynamics of cavitation and cavitating turbopumps. Springer, 2007. 351 p.
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.
Родионов Л.В., Иголкин А.А., Гафуров С.А. Моделирование рабочего процесса шестеренного насоса. Самара, 2012. 115 с.
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">https://doi.org/10.1115/1.4029223
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">https://doi.org/10.3390/en10081113
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">https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.03.014
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">https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.257
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">https://doi.org/10.1016/j.apm.2019.03.022
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">https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2010.06.009
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">https://doi.org/10.1115/1.2436577
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">https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.07.112
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.
Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Физматлит, 1987. Ч. 1. 464 с.
Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Физматлит, 1987. Ч. 2. 360 с.
Панов Л.В. Численное моделирование кавитационных течений вязкой жидкости в гидротурбинах: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2014. 19 с.
Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. Т. 1. 504 с.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2020 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.