（淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，在汽車、國防、航空航天等領(lǐng)域?qū)τ诒玫囊蟪⌒突?、智能化、易于控制等方向發(fā)展[1]。本文研究的電磁泵是一種往復(fù)式柱塞泵，動(dòng)力端采用一種新型電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)活塞，省去了傳統(tǒng)往復(fù)泵中的曲軸、字頭、曲柄滑塊等中間傳動(dòng)部件，從而大大降低了機(jī)械摩擦損失，提高了泵工作可靠性與傳遞效率[2]。

文獻(xiàn)[3]研究分析了電磁鐵的大推力、高頻運(yùn)動(dòng)、快速的響應(yīng)能力、良好的耐污能力等特性。文獻(xiàn)[4,5]研制設(shè)計(jì)了多種電磁泵，并應(yīng)用理論分析了電磁的工作特性。本文提出一種新型的高頻電磁泵，并應(yīng)用流體分析軟件FLUENT建立瞬態(tài)仿真模型，研究高頻電磁泵的工作特性。

1 電磁泵結(jié)構(gòu)及原理

1.1 工作原理

電磁泵采用單體式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)，主要由作為驅(qū)動(dòng)裝置的某種新型電磁鐵、進(jìn)口單向閥、出口單向閥、活塞組件、連桿等部分組成，當(dāng)柱塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的過程中，泵腔做膨脹和壓縮變化，進(jìn)、出口單向閥關(guān)閉和打開，從而進(jìn)行吸液和排液。其電磁結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電磁泵工作原理結(jié)構(gòu)示意圖

電磁泵是由電磁鐵在控制系統(tǒng)的作用下進(jìn)行工作。電磁鐵工作磁場由線圈中控制電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場和永磁體極化磁場共同組成，在軟磁材料和永磁材料中行成磁通回路。在磁通回路中，根據(jù)最小磁阻原理，在動(dòng)鐵上產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力通過連桿直接驅(qū)動(dòng)柱塞在活塞缸內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

1.2 單向閥方案設(shè)計(jì)

單向閥在液壓系統(tǒng)中通常作為配流閥使用，僅允許液體單向通流。根據(jù)電磁泵的高頻響應(yīng)特性，以及進(jìn)出口單向閥之間的匹配關(guān)系，進(jìn)口單向閥和出口單向閥皆采用立柱式閥芯單向閥。

圖2 立柱式閥芯單向閥實(shí)物圖

圖3 立柱式閥芯單向閥原理結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)學(xué)模型以及計(jì)算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

由于進(jìn)、出口單向閥、泵腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及活塞在電磁鐵高頻運(yùn)動(dòng)工作時(shí)，電磁泵在泵入與泵出液體的過程中，泵腔內(nèi)的流場變化大，內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)劇烈，而且雷諾數(shù)較小，流速分布梯度大。泵腔內(nèi)以及閥片附近區(qū)域極易產(chǎn)生渦旋，成為低雷諾數(shù)湍流運(yùn)動(dòng)。所以在對電磁泵進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析的過程中，采用SST k-ω湍流模型。該模型對于近壁面區(qū)以及邊界層外和自由流動(dòng)區(qū)域均具有較高的計(jì)算準(zhǔn)確度[6～8]。

SST k-ω兩方程模型：

有效擴(kuò)散系數(shù)：

式中：S是應(yīng)變率，σk和σω分別是對應(yīng)k和ω的湍流普朗特?cái)?shù)，μt為湍流粘度，α*=1。

由于仿真實(shí)驗(yàn)中，使用的工質(zhì)液體為純凈水水，其為不可壓流體，從而可以得到相應(yīng)的流量特性控制方程為：

式中，Q為單向閥流量；sgn（·）為符號函數(shù)；Δp為閥片壓差；Cq閥片流量系數(shù)；Ao閥口流通截面積；ρ液體密度。

閥片的流量系數(shù)Cq以及流通截面積Ao均取決于閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而閥片兩側(cè)的液體壓力差主要是由橡膠膜片做變形往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度所決定。

2.2 網(wǎng)格劃分和初始條件

研究對象為電磁泵腔內(nèi)流體的流動(dòng)以及進(jìn)、出口單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對高頻電磁泵特性的影響。根據(jù)電磁泵泵腔結(jié)構(gòu)、單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)建立流動(dòng)數(shù)值仿真模型。

表1 數(shù)值模型基本參數(shù)

由于CFD仿真軟件Fluent在瞬態(tài)數(shù)值模擬的時(shí)候要保證流場的連續(xù)性，不能完全閉合，所以在對進(jìn)口單向閥和出口單向閥建模的時(shí)候，保證和相應(yīng)壁面之間有一個(gè)微小間隙0.02mm。

圖4 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖

為了減少動(dòng)網(wǎng)格更新的計(jì)算量，在建模的時(shí)候?qū)⒉煌牧鲌隹臻g劃分成相應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域，區(qū)域不同網(wǎng)格劃分規(guī)則及網(wǎng)格密度則不同，在Gambit建立了包括進(jìn)液口、活塞腔、進(jìn)口單向閥運(yùn)動(dòng)區(qū)域、出口單向閥運(yùn)動(dòng)區(qū)域、出液孔道、出液口的泵二維幾何模型，并根據(jù)區(qū)域不同網(wǎng)格劃分規(guī)則及網(wǎng)格密度則不同，其中活塞腔壁面速度梯度和單向閥閥口區(qū)域靜壓力梯度比較大，對該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，以獲得較好的求解精度，網(wǎng)格如圖4所示。

進(jìn)、出口單向閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是主要受液體壓力變化和彈簧壓縮變形后產(chǎn)生的彈簧力共同作用，促使閥芯打開和關(guān)閉。在CFD仿真軟件FLUENT中，根據(jù)流固耦合的基本理論和方法，借助DEFINE_CG_MOTION宏來定義閥芯速度邊界條件。受力情況可由牛頓第二定律來描述：

式中：m為單向閥閥芯質(zhì)量，v為閥芯運(yùn)動(dòng)速度，F(xiàn)flow為工質(zhì)液體對單向閥閥芯的作用力，△p閥芯上下表面壓差，Ac閥芯有效作用面積，Ac=πD2/4（D為有效直徑）；Fspring為彈簧變形后產(chǎn)生的彈簧力。

3 流動(dòng)特性結(jié)果分析與模型驗(yàn)證

3.1 流動(dòng)特性結(jié)果分析

圖5 電磁泵動(dòng)鐵與進(jìn)出口單向閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律

以高頻電磁泵樣機(jī)建立流動(dòng)數(shù)值仿真模型，在工作頻率為50Hz的工況下進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，其動(dòng)鐵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為勻加速和勻減速運(yùn)動(dòng)，電磁泵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與進(jìn)、出口浮片閥的運(yùn)動(dòng)曲線和受力情況如圖5所示。

開始階段，活塞在動(dòng)鐵帶動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞腔容積變大，腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)口單向閥打開，出口單向閥關(guān)閉，工質(zhì)液體從進(jìn)液口流入泵腔之中，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到最大位置，活塞反向運(yùn)動(dòng)，活塞腔體積變小，活塞腔內(nèi)部產(chǎn)生正壓力，進(jìn)口單向閥關(guān)閉，出口單向閥打開，液體從活塞腔中流出。進(jìn)口單向閥在進(jìn)液的過程中，開啟的響應(yīng)時(shí)間為4.62ms，排液的過程中關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間2.67ms，出口單向閥在排液的過程中響應(yīng)時(shí)間為4.13ms，關(guān)閉響應(yīng)的時(shí)間為2.43ms。其中單向閥閥芯的運(yùn)動(dòng)，存在一定的波動(dòng)性，原因是因?yàn)楣べ|(zhì)液體由于慣性作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不能立刻變成靜止，其會(huì)在腔內(nèi)和單向閥閥芯內(nèi)部中形成一定的渦旋，帶動(dòng)附近的流體運(yùn)動(dòng)，作用在單向閥閥芯上，從而產(chǎn)生一定的波動(dòng)。

圖6 電磁泵不同時(shí)刻進(jìn)口單向閥壓力與速度云圖

圖7 電磁泵不同時(shí)刻出口單向閥壓力與速度云圖

圖6和圖7展示了高頻電磁泵工作循環(huán)中不同時(shí)刻進(jìn)出口單向閥壓力和速度分布云圖?；钊鐾鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，活塞腔體積增大，真空度驟增，外部的工質(zhì)液體作用在進(jìn)口單向閥閥芯上，促使進(jìn)口單向閥開啟，外部液體以高速經(jīng)過閥口進(jìn)入到活塞中，直至活塞在活塞腔中運(yùn)動(dòng)到極限位置。同理，當(dāng)活塞向相反的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞腔體積減小，產(chǎn)生正壓，促使進(jìn)口單向閥關(guān)閉，出口單向閥打開。由于單向閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及活塞的高頻運(yùn)動(dòng)，單向閥閥芯區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的滾流的現(xiàn)象。

3.2 仿真模型的驗(yàn)證

以電磁泵凈輸出流量為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行電磁泵的流量特性試驗(yàn)，試驗(yàn)在如圖8所示電磁泵的流量特性測試平臺(tái)上進(jìn)行。通過在上位機(jī)上調(diào)節(jié)單片機(jī)控制系統(tǒng)，使其工作頻率為50Hz，當(dāng)其流量穩(wěn)定的情況下，讀取泵穩(wěn)態(tài)流量，對高頻電磁泵測試5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取平均值并通過換算關(guān)系得到單周期的流量并與仿真計(jì)算得到的出口凈輸出流量相對比。

圖8 高頻電磁泵流量測試平臺(tái)示意圖

圖9 進(jìn)口與出口的液體流量

從圖9進(jìn)口與出口液體質(zhì)量流量圖可以得到仿真值為1.54g，實(shí)驗(yàn)測得值為1.43g，誤差為7.143%，從而驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性和高頻電磁方案的可行性。

4 高頻電磁泵運(yùn)動(dòng)規(guī)律

高頻電磁泵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)影響活塞腔的壓力、速度分布從而改變單向閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和電磁泵的性能。在工作頻率為50Hz時(shí)選取以下三種運(yùn)動(dòng)規(guī)律（1響應(yīng)時(shí)間為6ms；2響應(yīng)時(shí)間為8ms；3響應(yīng)時(shí)間為10ms），建立高頻電磁流動(dòng)仿真模型進(jìn)行分析。

圖10 不動(dòng)電磁泵運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線圖

圖11 不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下電磁泵進(jìn)出口流量

從圖11中可知，在不同電磁泵運(yùn)動(dòng)規(guī)律下電磁泵的進(jìn)出口流量，可知運(yùn)動(dòng)規(guī)律3（響應(yīng)時(shí)間為6ms）進(jìn)出口流速都較快，電磁泵的凈輸出流量同比增長18.8%，說明減小電磁泵響應(yīng)時(shí)間，能夠有效增加電磁泵的有效輸出流量。

5 結(jié)論

本文根據(jù)流體力學(xué)理論對電磁泵動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究分析，建立流量測試試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了仿真模型可行性，以及高頻電磁泵方案的可行性，并通過在50Hz的工作頻率下，通過縮短電磁泵的響應(yīng)時(shí)間能夠提升高頻電磁泵的性能，也為高頻電磁泵的進(jìn)一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。