【技术实现步骤摘要】
基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法
[0001]本专利技术涉及轴向柱塞泵
，尤其涉及一种基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法
。
技术介绍
[0002]在如今的工程机械
、
航空航天和海工装备等行业，轴向柱塞泵的应用非常广泛
。
同时，随着工作环境和效率的要求不断增加，近年来高速
、
高压
、
大流量的发展方向已经成为了主流
。
轴向柱塞泵全流场计算十分复杂，需要通过许多方程构建实际环境下的流场特性
。
一般由
Rayleigh
‑
Plesset
气泡动力学方程和气液两相质量输运控制方程来构建空化模型；在此基础上还需考虑实际工作状态下的气泡半径和气相体积分数之间的关系并进行修正；在非稳态流固热耦合流动模拟计算时，需要对现有的
SST k
‑
ω
湍流模型参数进行旋转和曲率改进，并修正湍流粘性系数，生成了一种新的湍流模型以模...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、
构建轴向柱塞泵全流场模型，并基于气泡动力学方程和气液两相质量输运控制方程，构建气液两相质量输运控制方程的空化模型，并将所述空化模型融入预设的轴向柱塞泵全流场模型中，得到用于泵内部空化流动数值模拟的轴向柱塞泵非稳态气液两相热流固耦合模型；其中，所述轴向柱塞泵非稳态气液两相热流固耦合模型中，采用
FLUENT
商用
CFD
软件中
SST k
‑
ω
湍流模型进行全流场数值计算；
S2、
修正所述轴向柱塞泵非稳态气液两相热流固耦合模型中
SST k
‑
ω
湍流模型参数，以实现对气泡半径和气相体积分数的修正以及对柱塞泵工作时高速转动的状态进行模拟；其中，所述
SST k
‑
ω
湍流模型参数包括旋转张量
、
应变率张量和曲率；
S3、
基于摩擦副真实的运行状态，在
SST k
‑
ω
湍流模型参数修正后的轴向柱塞泵非稳态气液两相热流固耦合模型中，引入包含流场
、
结构场和热场间耦合关系的摩擦副油膜润滑模型，以分析轴向柱塞泵内各部件的热量产生和传递的动态热平衡过程；
S4、
基于引入摩擦副油膜润滑模型后的轴向柱塞泵非稳态气液两相流固热耦合模型，对轴向柱塞泵内部流体激振力进行仿真分析并计算提取激振力，以获取轴向柱塞泵动静部件流动不均匀与流体激振力之间的对应关系
。2.
如权利要求1所述的基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法，其特征在于，所述步骤
S1
具体包括：使用三维建模软件
Solidworks
分别建立与每个待分析的轴向柱塞泵流场，以建立轴向柱塞泵全流场模型，并使用网格划分软件对所述轴向柱塞泵全流场模型进行网格划分；以气液两相流为对象，基于气泡动力学方程和气液两相质量输运控制方程，构建气液两相质量输运控制方程的空化模型；构建基于气液两相质量输运控制方程的空化模型，并将所述气液两相质量输运控制方程的空化模型以
UDF
函数的形式融入网格划分后的轴向柱塞泵全流场模型，得到用于泵内部空化流动数值模拟的轴向柱塞泵非稳态气液两相热流固耦合模型
。3.
如权利要求2所述的基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法，其特征在于，所述气液两相质量输运控制方程如下式
(1)
所示：式
(1)
中：
ρ
m
为气液混合相的平均密度；
u
i
为气液混合相的平均速度；
f
v
为气相质量分数；
R
e
为气相产生率；
R
c
为气相压缩率；
Γ
为有效传递系数，
t
为时间；所述气泡动力学方程如下式
(2)
所示：式
(2)
中：
R
为气泡半径；
p
v
为气相临界压力，其值与气相饱和压力与湍流强度有关；
ρ1为液体平均密度；
混合相密度变化与气相体积分数变化之间的关系式：其中，
α
为气相体积分数；
ρ
v
为气相密度；所述气相密度为：其中，
M
为液压油的摩尔质量，
M
＝
0.0144kg/mol
；
R
为普适气体常数，
R
＝
8.314J/(mol
·
K)
；
T
为环境温度，
T
＝
300K。4.
如权利要求3所述的基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法，其特征在于，所述步骤
S2
具体包括：确定代数雷诺应力输运方程如下式
(3)
所示：式
(3)
中，
υ
′
t
为粘涡系数，
τ
为时间尺度；
k
为湍流脉动；为有效湍流粘性系数，其表达式为
Ω
ij
和
Ω
ji
为旋转张量，
β1和
β2为标量函数；确定
SST k
‑
ω
模型中考虑旋转和曲率改进的
k
方程和
ω
方程如下式
(4)
所示：所示：式
(4)
中，
f
r
为带旋转张量和应变率张量的加权函数，其表达式为
c
r1
，
c
r2
和
c
r3
为加权函数，
r
*
为应变率张量与涡张量的比值且比值且为混合函数；采用基于有效湍流粘性系数的非线性
SST k
‑
ω
湍流模型，求解雷诺应力和涡粘性系数，进一步用所述
SST k
‑
ω
模型中考虑旋转和曲率改进的
k
方程和
ω
方程
(4)
进行封闭求解，实现对非线性湍流模型的旋转修正；将旋转修正的非线性湍流模型加入到所述轴向柱塞泵非稳态气液两相热流固耦合模型，得到
SST k
‑
ω
湍流模型参数修正后的轴向柱塞泵非稳态气液两相热流固耦合模型
。5.
如权利要求4所述的基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法，其特征在于，所述步骤
S2
中，气泡半径和气相体积分数之间的修正函数为其中，
α
和
α0分别为当前和初始气体体积分数；
n
b
和
n
b0
分别为当前和初始的
气体摩尔数，
p
G0
为气泡内气体压力，
p
L
为气泡外液体压力，
σ
为气液两相界面上表面张力，
R0为气泡半径
。6.
如权利要求5所述的基于全流场计算的轴向柱塞泵空化流激振动特性分析方法，其特征在于，所述步骤
S 3
具体包括：
①
给定的工况
、
几何结构参数和初始油膜厚度，推导出考虑空化流界面效应和惯性效应的广义
Reynolds
雷诺方程，并求解油膜压力分布：其中，笛卡尔坐标系下，基于
JFO
空化理论含流体离心惯性效应的热流体
Reynolds
雷诺方程如下式
(5)
所示：式
(5)
中，等号右侧第三项和第四项分别为流体离心惯性项在
x
和
y
方向的分量；
θ
为流体膜密度
ρ
与密封介质密度
ρ
L
之比，且
②
摩擦副的力平衡检查，基于下式
(6)
，获得任意时刻摩擦副的微运动位置：式
(6)
中，
F
z
(t)
为摩擦副副的正向压紧力；为油膜压力场产生的法向力；
M
x
(t)
为摩擦副副在
x
轴方向上所受的离心力矩；为油膜压力场在
x
方向上产生的油膜力矩；为摩擦副副在
y
轴方向上所受的摩擦力矩；为油膜压力场在
y
方向上产生的油膜力矩；
③
通过流场和热场计算分别获得的压力分布和温度分布，用于计算结构场的压力变形和热变形，通过叠加原理计算在某一压力和温度分布下的变形量：不考虑油膜体积力和热辐射的影响，则油膜能量方程如下式
(7)
所示：所示：式
(7)
中，油膜温度的边界条件如下：
其中，
T
为油膜温度；
T
in
为进口油液温度；
T0为初始油膜温度；
k
p
为摩擦副导热系数；
cp
为油液比热容；
ρ
为油液密度；
k0为油液导热系数；
V
r
、V
θ
、V
z
分别为油膜沿径向
、
周向和轴向速度分量；
k
c
为斜盘导热系数；
④
热场中计算摩擦副的能量耗散，通过求解热力学公式获取摩擦副的温度分布，并将其反馈给流场和结构场：
4.1
考虑液固界面传热特征的影响，引入摩擦副表面温度随时间的变化项，则摩擦副的热传导方程如下式
(8)
所示：
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