黃 思，康文明，林詩峰，馬驍夫

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

0 前言

為培養(yǎng)高素質(zhì)、“三創(chuàng)型（創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)）”人才，切實(shí)提高本科生的綜合素質(zhì)，華南理工大學(xué)為本科生開設(shè)了“學(xué)生研究項(xiàng)目”（Stu?dent Research Program，SRP），旨在鼓勵(lì)本科生參與探索性的研究工作，獲得科學(xué)研究的訓(xùn)練和技能，從而達(dá)到拓展創(chuàng)新能力的目的[1-5]。

齒輪泵是一種應(yīng)用廣泛的液壓機(jī)械，結(jié)構(gòu)上分為外嚙合和內(nèi)嚙合形式，其中以外嚙合齒輪泵應(yīng)用較廣[6]。齒輪泵的工作原理是當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)齒輪的嚙合點(diǎn)發(fā)生變化，吸油腔工作容積增大，形成部分真空產(chǎn)生吸油作用；另外在壓油腔中，由于齒輪逐漸嚙合，其工作容積減小，向壓力管路產(chǎn)生壓油作用。由于齒輪泵是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其結(jié)構(gòu)是封閉的且僅有很小的嚙合間隙（一般0.13～0.17 mm），現(xiàn)有條件下無法觀測到齒輪泵內(nèi)的流動(dòng)狀況。因此，開展“外齒輪泵內(nèi)流場仿真計(jì)算及動(dòng)畫制作”的SRP項(xiàng)目研究，指導(dǎo)學(xué)生使用流動(dòng)軟件模擬計(jì)算齒輪泵內(nèi)的瞬態(tài)流場并制作教學(xué)動(dòng)畫課件，使學(xué)生能直觀地了解齒輪泵的工作原理和性能變化規(guī)律，同時(shí)也是對過程控制專業(yè)必修課“過程流體機(jī)械”教學(xué)手段的補(bǔ)充與完善。

1 項(xiàng)目實(shí)施過程與方法

學(xué)生根據(jù)個(gè)人的興趣愛好申請參加指導(dǎo)教師擬定的SRP項(xiàng)目，指導(dǎo)教師從中選拔出具備一定機(jī)械設(shè)計(jì)和CAD建?；A(chǔ)的學(xué)生加入到項(xiàng)目組。項(xiàng)目啟動(dòng)后，指導(dǎo)教師首先幫助學(xué)生理解項(xiàng)目的任務(wù)和內(nèi)容；引導(dǎo)學(xué)生查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料，使學(xué)生掌握齒輪泵的工作原理，掌握完成項(xiàng)目所需的流動(dòng)計(jì)算方法和技能；最后是根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和能力，安排項(xiàng)目的具體分工，制訂各自的目標(biāo)和工作內(nèi)容。整個(gè)SRP項(xiàng)目的內(nèi)容和階段步驟見表1。

表1 項(xiàng)目計(jì)劃安排

2 項(xiàng)目實(shí)施的主要結(jié)果

2.1 流動(dòng)計(jì)算域模型的建立

齒輪泵的設(shè)計(jì)參數(shù)具體見表2。齒輪泵流動(dòng)計(jì)算域建模采用GearTrax軟件畫出標(biāo)準(zhǔn)的漸開線外齒輪，導(dǎo)入到Solidworks軟件中生成并組裝成一對嚙合的齒輪。在軟件中對齒輪固體區(qū)域運(yùn)用布爾運(yùn)算得到流體計(jì)算域模型，如圖1所示。

表2 齒輪泵的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 外齒輪泵流體計(jì)算域

2.2 計(jì)算域的網(wǎng)格劃分

將流體計(jì)算域模型導(dǎo)入到流動(dòng)計(jì)算軟件中，采用軟件網(wǎng)格劃分模塊對流體計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7]，得到如圖2所示的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元。

圖2 外齒輪泵結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

2.3 流場仿真計(jì)算

流體介質(zhì)為煤油（25℃），模擬計(jì)算采用湍流、空化流動(dòng)模型；進(jìn)口邊界條件設(shè)置靜壓為1 atm，出口靜壓為5 atm。齒輪轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，模擬計(jì)算的泵旋轉(zhuǎn)時(shí)間為4周。

仿真計(jì)算得到的齒輪泵出口質(zhì)量流量曲線如圖3所示。由圖可知，在經(jīng)歷了一段過渡時(shí)間后，外齒輪泵的出口流量隨時(shí)間開始作穩(wěn)定的諧波變化，流動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。指導(dǎo)教師借助該計(jì)算結(jié)果使學(xué)生們了解到齒輪泵的流動(dòng)是不穩(wěn)定的，由此進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生通過改變齒輪泵的尺寸、齒數(shù)、模數(shù)及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，探索減小齒輪泵流量脈動(dòng)的有關(guān)措施[8-9]。

圖3 泵出口流量隨時(shí)間變化曲線

2.4 后處理與動(dòng)畫制作

通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，學(xué)生們可以直觀地看到齒輪泵內(nèi)的壓力（圖4）和流速矢量（圖5）。計(jì)算結(jié)果顯示由泵入口到出口的壓力值逐漸增大，每個(gè)腔室內(nèi)的壓力值較為均勻，不同腔室的壓差比較明顯。兩齒輪嚙合的地方是壓差最大的位置，該處的介質(zhì)在壓差驅(qū)動(dòng)下泄漏速度達(dá)到15 m/s左右。教師指導(dǎo)學(xué)生如何從計(jì)算結(jié)果文件中直接讀取齒輪泵的流量、功率以及扭矩等參數(shù)，使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的知識進(jìn)一步計(jì)算出齒輪泵的效率并繪制出齒輪泵的特性曲線，提高了對齒輪泵的理論認(rèn)識。

圖4 中心截面壓力分布

圖5 中心截面速度矢量

為更生動(dòng)形象的展現(xiàn)齒輪泵內(nèi)的流場規(guī)律，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生們使用視頻編輯軟件顯示一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果（如圖6），并將這些結(jié)果圖像（幀）串聯(lián)制成用于教學(xué)的動(dòng)畫課件。

圖6 不同時(shí)刻縱截面流線分布

3 結(jié)論

本文介紹了“外齒輪泵內(nèi)流場仿真計(jì)算及動(dòng)畫制作”的本科生研究項(xiàng)目的實(shí)施方法、實(shí)施過程和主要結(jié)果。在該SRP項(xiàng)目中，通過教師的引導(dǎo)學(xué)習(xí)和實(shí)踐，學(xué)生們完成了齒輪泵計(jì)算域的建模、網(wǎng)格劃分、仿真計(jì)算和后處理，分析了齒輪泵內(nèi)部壓力、流速分布和泵性能，制作了有關(guān)的教學(xué)動(dòng)畫課件。

經(jīng)過SRP項(xiàng)目實(shí)踐，本科生在接受專業(yè)課教育的同時(shí)，有機(jī)會參與探索性的研究課題，在一定程度上加深了對課程所學(xué)知識的理解與應(yīng)用。同時(shí)，SRP項(xiàng)目對于提高本科生分析問題和解決問題的能力大有裨益，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主觀能動(dòng)性，提高收集信息、查閱資料和解決問題的能力。

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