楊豪虎 張嫻

摘要：本文主要介紹了CFD技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用原理，并且根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合分析了軸向柱塞泵和馬達(dá)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究過(guò)程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部油液流動(dòng)問(wèn)題和空化問(wèn)題，并且以某企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，軸向柱塞泵和馬達(dá)的模型試驗(yàn)以及數(shù)值檢測(cè)。

Abstract： This paper mainly introduces the practical application principle of CFD technology， and based on the relevant data of computational fluid dynamics， analyzes synthetically the development and research process of axial piston pump and motor， the model test and numerical test of the Axial Piston pump and motor in an industrial production structure were carried out.

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù);軸向柱塞泵;馬達(dá);動(dòng)態(tài)網(wǎng)格;數(shù)學(xué)模型

Key words： CFD technology;axial piston pump;motor;dynamic grid;mathematical model

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.51? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0081-02

0? 引言

近幾年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)層次不斷有所提升，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，流體力學(xué)的數(shù)據(jù)應(yīng)用和模型計(jì)算被廣泛的運(yùn)用在航空航天、自然能源的開(kāi)發(fā)、建筑行業(yè)的技術(shù)提升以及船舶船只的運(yùn)行系統(tǒng)優(yōu)化等方面上，其技術(shù)功能和適用范圍對(duì)相關(guān)行業(yè)有所提高，起到了重要的作用。

1? CFD技術(shù)在軸向柱塞泵和馬達(dá)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用原理

在軸向柱塞泵和馬達(dá)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)過(guò)程中，由于缸體進(jìn)行高速的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸向柱塞進(jìn)行反復(fù)的技術(shù)運(yùn)動(dòng)，最終使軸向柱塞泵中的油液的流動(dòng)范圍不斷進(jìn)行形態(tài)變化。而柱塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)腔中的壓力被不斷擠壓、變換，因此除了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦型態(tài)，被認(rèn)為是層流狀態(tài)以外，大部分的流動(dòng)區(qū)域皆呈現(xiàn)油液的湍流型態(tài)，最終導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域產(chǎn)生空化現(xiàn)象。為此技術(shù)人員可以使用CFD技術(shù)，針對(duì)軸向柱塞泵和馬達(dá)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和油液流動(dòng)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，以此探索其結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性和壓力特性，從而從根本上優(yōu)化結(jié)構(gòu)配流的整體形態(tài)模式，以此實(shí)現(xiàn)在相同工作狀況下盡可能的降低壓力沖擊和氣流侵蝕現(xiàn)象[1]。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，技術(shù)人員首先需要忽視軸向柱塞泵和馬達(dá)結(jié)構(gòu)中的滑靴副、柱塞副等位置的油液測(cè)漏問(wèn)題，其中油液在軸向柱塞泵和馬達(dá)結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成固定的流動(dòng)區(qū)域，其中流動(dòng)區(qū)域的確定主要由區(qū)域內(nèi)部固定的低壓區(qū)域、固定的高壓區(qū)域、固定的配油流副油區(qū)域以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸向柱塞泵內(nèi)部的塞腔區(qū)域等組成。比如：油液自身結(jié)構(gòu)、內(nèi)腔空氣以及油液產(chǎn)生的油蒸汽等，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型試驗(yàn)過(guò)程中，通常會(huì)使用流動(dòng)范圍比較均勻，自身結(jié)構(gòu)型態(tài)比較復(fù)雜的混合型態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)分析。所以，想要針對(duì)軸向柱塞泵和馬達(dá)內(nèi)部油液流動(dòng)特性進(jìn)行理論性描述，除了需要結(jié)合多項(xiàng)流動(dòng)的連續(xù)方程式以外，還需要根據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流模型和空化模型的建立。

由于軸向柱塞泵和馬達(dá)結(jié)構(gòu)中，油液流動(dòng)區(qū)域范圍的進(jìn)口和出口，其結(jié)構(gòu)邊界通常會(huì)設(shè)置為壓力的總相出口，以此實(shí)現(xiàn)油液湍流現(xiàn)象充分的發(fā)展，但是并不出現(xiàn)空化現(xiàn)象。其中在進(jìn)行油液流動(dòng)區(qū)域中，柱塞腔內(nèi)油液反復(fù)運(yùn)動(dòng)的端面數(shù)據(jù)，需要按照油液運(yùn)動(dòng)的規(guī)律確定運(yùn)動(dòng)壁面系數(shù)，保證其他邊界認(rèn)為其運(yùn)動(dòng)模式屬于無(wú)滑移模式[2]。為了有效的針對(duì)軸向柱塞泵和馬達(dá)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，技術(shù)人員可以使用通用類(lèi)型的CFD技術(shù)軟件，并且根據(jù)兩者數(shù)據(jù)試驗(yàn)和模型進(jìn)行結(jié)果計(jì)算，然而常見(jiàn)的通用類(lèi)型一般是在物理模式下，有限體積探索方式和有限單元探索方式作為基礎(chǔ)，其中包括：油液的湍流數(shù)據(jù)模型與多相流等多重豐富的流體力學(xué)模型，而軟件結(jié)構(gòu)中的離散方程模式，由于其數(shù)據(jù)的計(jì)算方式和方法十分豐富，多種多樣，且數(shù)據(jù)的計(jì)算準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)程度較高，因此非常適合專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行系統(tǒng)操作和技術(shù)使用。

為此，經(jīng)過(guò)技術(shù)人員和研發(fā)人員的不懈努力，CFD技術(shù)對(duì)于常見(jiàn)模式下，斜盤(pán)模式、斜軸模式的軸向柱塞泵與馬達(dá)，可以有效的針對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面內(nèi)，配流副流膜流動(dòng)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，極大的減少了開(kāi)發(fā)的失誤率，但是依靠目前的科學(xué)技術(shù)，還未能把球面配流副油膜、柱塞孔洞以及軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)中的主軸夾角問(wèn)題進(jìn)行解決[3]。

2? CFD技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

CFD技術(shù)由于自身的技術(shù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，自身具備較強(qiáng)的技術(shù)適應(yīng)性、應(yīng)用范圍較廣。

第一，因此在設(shè)備與機(jī)械馬達(dá)結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)中，通常軸向柱塞泵和馬達(dá)兩者結(jié)構(gòu)問(wèn)題的系數(shù)方程通常是非線性的，因此公式系數(shù)中，自變量與計(jì)算領(lǐng)域產(chǎn)生的幾何形狀以及其邊界構(gòu)成條件比較復(fù)雜，如果不經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，很難進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析。但是使用CFD技術(shù)可以有效的利用系數(shù)公式，尋找到滿足軸向柱塞泵和馬達(dá)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，所需要的數(shù)值解。第二，對(duì)于軸向柱塞泵和馬達(dá)的開(kāi)發(fā)工程過(guò)程中，還可以利用計(jì)算機(jī)作基本的數(shù)據(jù)支持，從而進(jìn)行各種相關(guān)的技術(shù)試驗(yàn)。比如：在兩者進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，技術(shù)人員可以根據(jù)馬達(dá)的實(shí)際需要，進(jìn)而選擇不同流動(dòng)數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)值的相關(guān)試驗(yàn)。在實(shí)際進(jìn)行方案開(kāi)發(fā)時(shí)，需要選擇不同數(shù)據(jù)參數(shù)，有利于物理方程系數(shù)結(jié)構(gòu)中，各項(xiàng)有效性數(shù)據(jù)的建立和開(kāi)發(fā)公式數(shù)據(jù)敏感性的試驗(yàn)，從而進(jìn)行開(kāi)發(fā)和建造方案的比較[4]。第三，在軸向柱塞泵和馬達(dá)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，使用CFD技術(shù)，可以不受物理數(shù)據(jù)模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臈l件限制，盡可能的減少研究經(jīng)費(fèi)和研究實(shí)踐，同時(shí)利用CFD技術(shù)，一定程度上具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)靈活性，并且通過(guò)技術(shù)人員的數(shù)據(jù)探索和試驗(yàn)，可以第一時(shí)間總結(jié)出詳細(xì)且完整資料，比如：在實(shí)際開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中，技術(shù)人員通過(guò)模擬軸向柱塞泵和馬達(dá)的特殊尺寸、溫度、是否具備毒性、材料是否易燃燒等真實(shí)條件，以及在實(shí)際環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，只能無(wú)限接近但是無(wú)法達(dá)到的理想試驗(yàn)環(huán)境條件。

但是在軸向柱塞泵和馬達(dá)開(kāi)發(fā)中使用CFD技術(shù)，其自身也存在一定的發(fā)展和試驗(yàn)局限性。

第一，對(duì)于CFD技術(shù)來(lái)說(shuō)，數(shù)值解算法其自身是一種計(jì)算出近似數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)整體模式接近于離散的計(jì)算方法。在實(shí)際的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中，過(guò)度的依賴于物理結(jié)構(gòu)上的合理性和科學(xué)性，同時(shí)CFD技術(shù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)試驗(yàn)和探索時(shí)，需要首先依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值的計(jì)算和確定，隨后以此作為基礎(chǔ)，建立離散的數(shù)學(xué)模型，并且最終過(guò)的試驗(yàn)結(jié)果并不能利用任何模式的數(shù)字解析或者公式進(jìn)行表法，唯一可以作為體現(xiàn)的是公式結(jié)構(gòu)，離散點(diǎn)上的數(shù)值解，并經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)上的計(jì)算誤差。第二，由于CFD技術(shù)在整體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不像物理模型實(shí)驗(yàn)，在試驗(yàn)的初期就可以詳細(xì)的制定出數(shù)據(jù)的流動(dòng)現(xiàn)象，并且根據(jù)數(shù)據(jù)走向進(jìn)行理論定性的信息描述，往往需要技術(shù)人員根據(jù)軸向柱塞泵和馬達(dá)的實(shí)際開(kāi)發(fā)需要，針對(duì)原體進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，或者建立相關(guān)的物理模型，為實(shí)驗(yàn)提供某些流動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)，同時(shí)以此作為信息基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)理論驗(yàn)證。第三，在使用CFD技術(shù)進(jìn)行軸向柱塞泵和馬達(dá)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，技術(shù)人員需要根據(jù)開(kāi)發(fā)的具體程序，以及程序編寫(xiě)所需要的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息材料的采集、分析與合理使用，然而這樣操作一定程度上依賴技術(shù)人員自身的工作經(jīng)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)試驗(yàn)技巧[5]。

3? CFD技術(shù)在軸向柱塞泵和馬達(dá)開(kāi)發(fā)中的實(shí)際應(yīng)用

針對(duì)生產(chǎn)廠家，針對(duì)軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，出現(xiàn)的噪聲和氣體腐蝕問(wèn)題，技術(shù)人員針對(duì)軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)中的配流盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，并且利用CFD技術(shù)進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)改良，同時(shí)根據(jù)改良前和改良后，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。其中軸向柱塞泵在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，自身轉(zhuǎn)速為2200轉(zhuǎn)每分鐘，其進(jìn)口壓力值為0.1帕，出口壓力數(shù)值為28帕，而配流副油膜自身的結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到了20UM，斜盤(pán)傾斜角度數(shù)值為16度，軸向柱塞泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)油液的密度為800千克每立方米，結(jié)構(gòu)內(nèi)的飽和型態(tài)蒸汽利壓力數(shù)值為400帕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中，空氣平均所含分子數(shù)量為28，油液結(jié)構(gòu)中分子量為300，如果單位之間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)1度，那么運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)子需要轉(zhuǎn)動(dòng)1080度，其中每個(gè)時(shí)間段所產(chǎn)生的迭代進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，其收斂數(shù)值殘缺和誤差需要控制在0.1左右。根據(jù)軸向柱塞泵和馬達(dá)運(yùn)行后，產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知，當(dāng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行第二周期的計(jì)算流程時(shí)，柱塞腔內(nèi)部的壓力數(shù)值變化基本區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是當(dāng)軸向柱塞泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，柱塞腔從吸油區(qū)域進(jìn)入到排油區(qū)域后，所測(cè)試的兩種配流模式均出現(xiàn)了較大浮動(dòng)的壓力變化，其沖擊數(shù)據(jù)產(chǎn)生的曲線波形，型態(tài)基本一致，并且設(shè)備進(jìn)行快速運(yùn)行且時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，內(nèi)部峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了軸向柱塞泵出口壓力的額定數(shù)值，由此可以得知，在實(shí)際的軸向柱塞泵功能數(shù)據(jù)試驗(yàn)時(shí)，可以觀察到產(chǎn)生的壓力數(shù)值想要進(jìn)行平緩過(guò)渡，以上兩種高壓類(lèi)型的減震區(qū)域方案設(shè)計(jì)皆不甚理想[6]。

軸向柱塞泵和馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，所產(chǎn)生的氣體腐蝕問(wèn)題，主要形成原因是由于空氣在空化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的空氣氣泡，導(dǎo)致油液流動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生的蒸汽泡流動(dòng)到高壓區(qū)域的零件表面附近，并且一旦產(chǎn)生破裂會(huì)產(chǎn)生大量的沖擊力，因此通常根據(jù)這樣的油液流動(dòng)環(huán)境和實(shí)際情況，技術(shù)人員會(huì)認(rèn)為一旦沖擊力數(shù)值所產(chǎn)生功率超過(guò)5*108瓦時(shí)，市面上常見(jiàn)的且沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面強(qiáng)化技術(shù)處理的材料，表面會(huì)存在大量氣體腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)生的相關(guān)信息數(shù)據(jù)可以得知，當(dāng)軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)中的缸體角度轉(zhuǎn)動(dòng)了13度時(shí)，采用的常見(jiàn)測(cè)試方式需要根據(jù)泵內(nèi)油液流動(dòng)區(qū)域，產(chǎn)生空化破壞性功率的實(shí)際分布情況，并且根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到相關(guān)結(jié)論：由于缸內(nèi)結(jié)構(gòu)的特殊性，通常易腐蝕區(qū)域會(huì)出現(xiàn)在柱塞體內(nèi)部腔的錐形表面，并且一般產(chǎn)生在缸體流配窗結(jié)構(gòu)附近，以及低壓力區(qū)域的減震槽附近。同時(shí)為了有效的檢測(cè)出設(shè)備空化情況，技術(shù)人員應(yīng)該使用至少兩種測(cè)試結(jié)構(gòu)，針對(duì)配流盤(pán)內(nèi)部空化的強(qiáng)弱程度進(jìn)行對(duì)比，并且以此作為基礎(chǔ)，對(duì)油液主要流動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生的氣體體積總含量，進(jìn)行相關(guān)分析。

4? 結(jié)束語(yǔ)

由此可見(jiàn)，通過(guò)使用CFD技術(shù)針對(duì)軸向柱塞泵和馬達(dá)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)和使用過(guò)程中，產(chǎn)生的內(nèi)部油液異常流動(dòng)和空化等相關(guān)問(wèn)題，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型建立，以此實(shí)現(xiàn)為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的新紀(jì)元。

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