利用FLUENT軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子泵出口球閥的運(yùn)動(dòng)特性及轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算和可視化分析，得到出口球閥運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化曲線和轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況。仿真分析結(jié)果表明：3組球閥的速度、升程、受力隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化；由于初始條件和邊界條件不同，所得仿真曲線與球閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型計(jì)算曲線有所不同，但變化趨勢(shì)是一致的；在轉(zhuǎn)子相互嚙合區(qū)，壓力值最小，變化梯度最大，且最小值隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多種油氣混輸泵，有螺桿泵、軸流泵、液環(huán)泵、葉片泵、轉(zhuǎn)子泵等。但在含氣量較大工況時(shí)，上述油氣混輸泵極易產(chǎn)生氣阻失效。針對(duì)傳統(tǒng)混輸泵產(chǎn)品存在的缺陷，提出了一種新型內(nèi)壓縮轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵。通過(guò)在該泵出口處增設(shè)3組出口球閥，從而消除了氣阻，增添了內(nèi)壓縮特性，提高了油氣混輸功能與泵效率，且可防止回流、降低沖擊噪聲。

　　鑒于目前尚無(wú)轉(zhuǎn)子泵出口球閥理論與設(shè)計(jì)技術(shù)，擬應(yīng)用動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的相關(guān)理論及借鑒往復(fù)泵球閥最新發(fā)展成果，根據(jù)轉(zhuǎn)子泵工作特性，對(duì)轉(zhuǎn)子泵出口球閥在實(shí)際工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況和內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況進(jìn)行仿真分析與可視化研究，揭示轉(zhuǎn)子泵出口球閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為其理論分析與設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

　　1、球閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型

　　為便于對(duì)轉(zhuǎn)子泵出口球閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論研究，假設(shè)：

　　(1)不考慮流體在液缸內(nèi)流動(dòng)的摩阻損失；

　　(2)液缸內(nèi)各點(diǎn)的流體壓力及密度都相同；

　　(3)流體動(dòng)力學(xué)封閉方程為均熵流場(chǎng)；

　　(4)不考慮泵腔內(nèi)的余隙容積；

　　(5)不考慮液缸、轉(zhuǎn)子的變形。

　　選擇實(shí)型轉(zhuǎn)子泵球閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)球閥運(yùn)動(dòng)微分方程、液缸內(nèi)流體流動(dòng)微分方程及初始條件，可推導(dǎo)出描述球閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。其常微分方程組如下：

圖1 球閥結(jié)構(gòu)示意圖

　　式中：Axd為閥隙過(guò)流面積，m2；

　　ρxd為流過(guò)球閥間隙的液體密度，kg/m3；

　　p為液缸內(nèi)液體壓力，Pa；

　　α為轉(zhuǎn)子內(nèi)圓包角；

　　pd為泵的出口壓力，Pa；

　　φ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

　　Vd為閥隙、球閥與閥座形成的空間體積，m3；

　　ρ為液缸內(nèi)液體密度，kg/m3；

　　Vc為泵腔容積，m3；

　　md為閥球質(zhì)量，kg；

　　ξ為流量系數(shù)，0.50～0.67；

　　Avd為閥球工作面積，m2；

　　υ為球閥運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

　　h為球閥升程，m；

　　pod為球閥開(kāi)啟時(shí)液缸內(nèi)液體壓力，Pa。

　　球閥的仿真條件如下：閥座孔半徑rd=0.032m，閥座半錐角δ=45°，閥座倒角長(zhǎng)度l=0.005m；閥球半徑Rd=0.045m，閥球材質(zhì)鋼的密度ρd=7850kg/m3。液壓油密度ρ=856kg/m3。

　　利用MATLAB軟件，采用龍格—庫(kù)塔方法對(duì)上述微分方程組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求解得球閥升程、速度隨時(shí)間的變化曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算閥球升程變化曲線

圖3 數(shù)值計(jì)算閥球速度變化曲線

　　分析以上變化曲線圖可知：隨著排液過(guò)程的進(jìn)行，閥球的升程越來(lái)越大，但升程變化速率減小，當(dāng)閥球達(dá)到最大升程以后，將懸浮于升程最大值附近的某一固定高度；在球閥開(kāi)啟瞬間，閥球獲得很高的開(kāi)啟速度而呈跳躍式開(kāi)啟，此后，閥球速度逐漸減小，當(dāng)閥球達(dá)到最大升程時(shí)，速度近似減小為零且保持恒定。

　　4、結(jié)論

　　利用FLUENT軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子泵出口球閥的運(yùn)動(dòng)特性及轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，歸納總結(jié)可得出以下結(jié)論：

　　(1)在轉(zhuǎn)子泵動(dòng)態(tài)模擬的動(dòng)畫(huà)圖示中，可直觀顯示隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，球閥速度、升程及泵內(nèi)壓力場(chǎng)的變化過(guò)程。

　　(2)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，3組閥球的速度、升程、受力發(fā)生周期性變化，且由于初始條件和邊界條件不同，所得仿真曲線與球閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型計(jì)算曲線有所不同，但變化趨勢(shì)是一致的。

　　(3)在轉(zhuǎn)子相互嚙合區(qū)，壓力值最小，變化梯度最大，且最小值隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。