Численное исследование гидродинамики шестеренного насоса с внешним зацеплением
Автор: Билалов Руслан Альфредович, Сметанников Олег Юрьевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.13, 2020 года.
Бесплатный доступ
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.
Шестеренный насос, погруженное тело, кавитация, численное моделирование, подвижные границы
Короткий адрес: https://sciup.org/143172511
IDR: 143172511 | УДК: 532.54, | DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.4.37
Numerical investigation of fluid dynamics phenomena in external gear pump
A three-dimensional numerical model able to describe the performance of a gear pump taking into account turbulence and cavitation is presented. The computational model is implemented in the ANSYS CFX software package. As a method for modeling moving boundaries (taking into account the rotation of gears), the method of "immersed solid" is chosen. A homogeneous two-phase model is used to describe the flow of a viscous incompressible fluid with the formation of cavitation. The adequacy of the developed model is checked; the analysis of the numerical stability and convergence of the solution is carried out. With this model, a number of computational experiments were carried out at the experimental design stage to create a fuel system for a promising gas turbine engine. The technical characteristics of the pump, such as the flow rate, presence and degree of cavitation, were checked. Simulation results for different pump operating modes are analyzed. Comparison of the numerical results for single-phase and two-phase flow is performed. The places of cavitation formation and its level are shown and justified. The localization and volume of cavitation areas, cavitation concentration, and the level of its possible influence on the consumable-technical and strength characteristics of the product are examined in relation to the rotational speed of gears. It has been found that cavitation areas are formed, especially, at high gear speeds. The simulation results are presented in the form of graphical functional dependencies and contour plots. The developed numerical model of the gear pump makes it possible to carry out computational experiments instead of expensive full-scale ones, and to give recommendations for preventive improvement of the design, even before the manufacture of prototypes of the product.
Список литературы Численное исследование гидродинамики шестеренного насоса с внешним зацеплением
- Юдин Е.М. Шестеренные насосы. М.: Машиностроение, 1964. 238 с.
- 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.
- 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.
- 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.
- Močilan M., Husár Š., Labaj J., Žmindák M. Non-stationary CFD simulation of a gear pump // Procedia Engineering. 2017. Vol. 177. P. 532-539.
- 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.
- 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.
- Strasser W. CFD investigation of gear pump mixing using deforming/agglomerating mesh // J. Fluids Eng. 2007. Vol. 129. P. 476-484.
- 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.
- 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.
