摘 要

外啮合齿轮泵是一种常见的液压泵，通过容积变化达到吸入流体和为输送的流体增压的目的。因为其体积小，制造成本低，被广泛应用于工业制造，航空航天和船舶领域。但外啮合齿轮泵同时存在着径向力不平衡，工作中会产生困油现象的缺点。因此，对外啮合齿轮泵进行CFD仿真分析，得到相应参数是有意义的。

本文研究对象为CB-B63型齿轮泵，该齿轮泵作为液体输送装置广泛应用于各类船舶，纺织工业。该型号的齿轮泵主要输送油液。本文利用Spaceclaim对该型号的齿轮泵进行建模并抽取其内部流体，利用Mesh对得到的流体模型进行网格划分，利用Fluent对其进行数值计算，并利用Result对结果进行可视化处理。最终得到结论如下：

（1）外啮合齿轮泵在开始工作时会在进口处产生真空，利用压力差将流体吸入。

（2）外啮合齿轮泵工作时，齿轮输送流体速度明显高于进出口流体，而进出口流体速度则差别不大，说明外啮合齿轮泵的主要功能是为输送流体增压，对提高输送流体流速没有明显影响。

（3）在困油区域可以看到在困油区域增大时，被困油液压力下降，在两齿接触位置产生真空，而在困油区减小时，在齿根位置压力明显大于周围区域。

（4）齿轮齿顶与泵壳之间的间隙油液朝进口方向流动，齿轮输送液体与回流液体在交界处产生漩涡。

关键词：外啮合齿轮泵；CFD；建模仿真

Abstract

The external gear pump is a common hydraulic pump that achieves the purpose of inhaling fluid and supercharging the delivered fluid by volume change. Because of its small size and low manufacturing cost, it is widely used in industrial manufacturing, aerospace and marine fields. However, the external gear pump has the disadvantage of radial force imbalance, which will cause oil trapping during work. Therefore, CFD simulation analysis of the external gear pump makes it meaningful to obtain the corresponding parameters.

The research object of this paper is the CB-B63 gear pump, which is widely used in various ships and textile industries as a liquid conveying device. This type of gear pump mainly delivers oil. This paper uses Spaceclaim to model the gear pump and extract its internal fluid. Mesh is used to mesh the obtained fluid model, and the numerical calculation is performed by Fluent, and the result is visualized by Result. The final conclusion is as follows:

(1) The external gear pump will generate a vacuum at the inlet when starting work, and draw the fluid by the pressure difference.
(2) When the external gear pump is working, the gear conveying fluid speed is obviously higher than the inlet and outlet fluid, and the inlet and outlet fluid speeds are not much different, indicating that the main function of the external gear pump is to pressurize the conveying fluid and improve the conveying fluid. The external gear pump has no significant effect to flow rate.
(3) In the trapped oil area, it can be seen that when the trapped oil area increases, the trapped oil pressure drops, and a vacuum is generated at the contact position of the two teeth. When the trapped oil area is reduced, the pressure at the root position is significantly greater than the surrounding area. .
(4) The gap between the gear tip and the pump casing flows in the direction of the inlet, and the gear conveying liquid and the returning liquid generate a vortex at the junction.

Key Words：external gear pump; CFD; modeling and simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究目的 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究内容与技术方案 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 技术方案 3

1.4 本章小结 3

第2章 理论基础和软件介绍 4

2.1 理论基础 4

2.1.1 齿轮泵概述 4

2.1.2 外啮合齿轮泵结构及工作原理 4

2.1.3 计算流体动力学简介 5

2.1.4 流动控制方程 6

2.1.5 湍流模型 7

2.2 软件介绍 8

2.2.1 ANSYS介绍 8

2.2.2 SpaceClaim介绍 9

2.2.3 Fluent介绍 10

2.3 本章小结 10

第3章 外啮合齿轮泵建模与求解计算 11

3.1 外啮合齿轮泵三维模型的建立 11

3.2 齿轮泵流体模型建立 12

3.3 流体的网格划分 15

3.4 导入Fluent进行求解计算 17

3.4.1 检查网格质量并设定分析类型 17

3.4.2 选择湍流模型 19

3.4.3 创建新材料 19

3.4.4 将新材料赋予网格 20

3.4.5 边界条件设置 20

3.4.6 导入UDF文件 21

3.4.7 动网格设置 22

3.4.8 求解算法选择 24

3.4.9 初始化条件设置 24

3.4.10 结果与分析 25

3.5 本章小结 32

第4章 总结与展望 33

4.1 总结 33

4.2 展望 33

参考文献 35

致 谢 37

绪论

研究目的及意义

研究目的

本文旨在对常见的一种外啮合齿轮泵进行建模并抽取其内部流体，对建立的模型进行网格划分并导入CFD软件进行数值计算。最终得到外啮合齿轮泵的压力分布云图分析，速度分布云图分析，困油区域的压力分析，困油区域的速度矢量分析，齿顶处泄露油液的速度矢量分析等结论。

研究意义

通过CFD方法对实际使用的齿轮泵仿真模拟比对实体模型进行实验更加节省人力物力，对于得到数据的可视化展示更加生动。通过建模仿真得到的参数结论对于工业生产中的外啮合齿轮泵设计生产具有指导意义。

国内外研究现状

国内研究现状

国内对外啮合齿轮泵的CFD仿真研究范围很广，包括了外啮合齿轮泵研究的大部分领域。包括：对齿轮泵振动与噪声产生原因的分析，以及降低振动与噪声的方法；对困油现象产生过程的仿真与解决困油的方法仿真；齿轮泵泄露现象的仿真与解决方法仿真等。吴玲，谷立臣利用Gambit对外啮合齿轮泵内部流体模型进行网格划分，利用Fluent动网格功能下的网格重划模型进行分析，得到流体的压力分布云图，速度分布云图，噪声分布云图，并得出结论泵的转速，负载压力对齿轮泵噪声的产生都有显著影响^[1] 。杨国来，张晓丽，李文祺，朱礼浩利用MATLAB对渐开线外啮合斜齿轮泵进行仿真，并将其流量脉动曲线与直齿轮泵流量脉动曲线对比，得出在主要参数相同的情况下，斜齿轮泵流量脉动明显小于直齿轮泵，说明了斜齿轮泵工作更加平稳^[2] 。朱锦彤，周思柱，李宁，严奉林，孟琴，利用Gambit划分网格，利用Fluent进行数值计算，得到齿轮间径向间距越大，齿轮泵出口流速越大，以及双圆弧齿轮泵比渐开线齿轮泵工作效率更高的结论^[3]。 张勇，王和顺，朱维兵，董霖利用Fluent得出结论，在齿轮啮合区域流体压力呈周期性变化，且变化幅度较大^[4] 。姜继海，袁俊超，王强利用ARDINA对以水为介质的外啮合齿轮泵进行了仿真，发现气蚀现象主要发生在齿轮脱离啮合的位置，并提出了吸水口优化方法^[5]。他们采用的研究方法对相似研究有较高的启发意义，得到的数据对相应的齿轮泵生产制造有参考价值。

国外研究现状

国外对外啮合齿轮泵内部流场的仿真主要集中在研究齿轮泵工作时产生的噪声，空化现象及泄漏问题。David del Campo Sud利用二维模型研究了齿轮泵的空化现象，模拟了空化现象中气泡从形成到破灭的过程。其研究得出的结论对于空化现象的研究有较高的价值，得出的数据精度较高，但由于使用的是二维模型，所以局限性也很大^[6]。Hyun利用Fluent仿真了困油现象，并得出困油区域的压力会出现周期性的幅度较大的变化，同时流体在困油区的速度也会发生急剧变化，这也再后来被其他研究者证实^[7]。E.Mucchi和G.Dalpiaz等人对齿轮泵的泄漏现象进行了研究，对齿轮泵泄露的主要区域：齿轮与泵壳的径向间隙，齿轮泵壳的轴向间隙的泄漏情况进行了理论分析。并得到相应的压力分布^[8]。

总的来说国内外对于外啮合齿轮泵内部流场仿真具有以下共同点：

（1）研究方式多样，国内外学者既有对流场进行理论计算，也有进行数值仿真。采用的数值仿真软件既有Fluent也有ARDINA和MATLAB。划分网格的软件既有Mesh也有Gambit。这使得不同的研究结果之间可以相互佐证，使研究结果更有说服力；

（2）国内外研究的焦点都集中在齿轮泵工作时产生的振动噪声，困油现象。

由本节描述的国内外研究现状可以看出对于外啮合齿轮泵内部流动的仿真分析已经相当深入，得到的数据及结论具有相当的说服力。说明对于齿轮泵内部流场的仿真分析对于实际的工业生产与制造有着重要意义，对于齿轮泵内部流场进行仿真分析是非常有必要的。

研究内容与技术方案

研究内容

对于外啮合齿轮泵内部流场的模拟可以分为四个阶段：

（1）对实体的齿轮泵模型进行建模，对齿轮泵内部流体进行抽取，对抽取的流体进行分块等处理；

（2）对流体模型进行网格划分，提高网格质量；

（3）利用CFD软件对网格模型进行数值计算；

（4）使计算结果可视化；

技术方案

（1）确定所研究的齿轮泵尺寸参数，建立三维模型，将三维模型导入Spaceclaim，测量两个齿轮重心的坐标，利用Spaceclaim的体积抽取功能进行流体抽取，并完成流体域分块与粘合，并记录下齿轮流体区域两对称面坐标；

（2）将建好的流体模型导入Mesh，选择物理偏好，单元尺寸，网格优化工具，待划分表面的网格类型，划分网格，查看网格数量以及最小网格质量，为进口、出口、齿轮、对称面、壁面命名；

（3）将划好的网格文件导入Fluent，选择湍流模型，创造介质，将介质赋予网格，设置边界条件，导入UDF文件，选择动网格模型，设置动网格模型参数，设置刚体运动面以及运动边界相邻面，进行动网格计算预览，确认网格不会出现畸变，设置求解方法，设置初始化参数，设置时间步长时间步数及迭代步数；

（4）将Fluent求解的结果导入Result，导出不同时间的压力云图，分析流体整体的压力分布，分析在困油区域的压力变化，分析主要泄漏部分的压力情况，导出速度云图与速度矢量图，分析速度分布情况及齿轮对流体的速度影响，重点分析齿轮啮合部位的速度变化，泄漏部分的速度分布。

本章小结

本章阐述了本次研究的目的及意义。对国内外相关研究情况做了总结与概述，对比了国内外研究的异同，论述了进行本次研究的必要性。分阶段概括了本次研究的主要内容，以及对应实现方案。体现了作者对于齿轮泵内部流体仿真的理解，为论文的展开奠定基础。

理论基础和软件介绍

2.1 理论基础

2.1.1 齿轮泵概述

液压泵是一类由电动机或发动机驱动的，为油液增加压力送到执行元件的机械。由于结构差异液压泵可以分为齿轮泵、柱塞泵和叶片泵，作为本文研究对象的齿轮泵最早被发明利用。齿轮泵的主要优点是结构简单，从一定程度上讲，简单机械比复杂机械更加可靠，也更加耐用。同时因为齿轮泵结构简单，所以其制作成本低，制造与维修难度小，相较于复杂的泵体齿轮泵可以在相同的加工水平下做得更小，更轻便。但由于结构原因，齿轮泵存在流量与压力脉动较大，工作时噪声较大，存在径向不平衡力，效率较低。总的来说齿轮泵被广泛应用于机械制造、汽车、航空航天等行业。谈及齿轮泵一般默认为外啮合齿轮泵，因为主动齿轮与从动齿轮相互啮合在彼此的外部所以被称为外啮合。而另一种内啮合齿轮泵在结构上则是由内外两个齿轮组成。相较于外啮合齿轮泵，内啮合齿轮泵由于齿轮同向旋转，齿轮间相对速度较小，磨损较轻微，流量脉动远比外啮合齿轮泵小，故压力脉动和噪声都较小。内啮合齿轮泵允许使用较高的转速,可获得较高的容积效率。但是无论外啮合还是内啮合，两种齿轮泵都无法避免径向力不平衡，存在困油现象的问题。困油现象的产生是由于齿轮泵工作过程中总有两对齿同时啮合，齿轮不可能完全脱离，即两对齿轮之间总是夹着一部分液体，这部分液体在质量不变的情况下占据的空间随齿轮的运动而增大变小，液体体积减小时对齿轮的压力增大，齿轮受到不平衡的力，减少使用寿命，而液体本身压缩能力不强，于是液体产生泄露；液体占据体积增大时则会产生真空，形成气穴，增加齿轮泵的震动与噪声。

2.1.2 外啮合齿轮泵结构及工作原理

外啮合齿轮泵的工作部位由主动齿轮、从动齿轮、泵体、吸入口与排出口组成。如图2.1所示两个齿轮相对彼此反向转动（从动齿轮顺时针转动，主动齿轮逆时针转动）逐渐退出啮合，吸油侧的空间容积逐步变大（齿轮啮合程度减小，齿轮在啮合部位的空隙空间逐渐增大），从而形成真空，将油从油箱中吸入，进入齿隙间。齿轮转动时带动油液向压油侧输送，新的油液到来使得压油侧的油压升高，从而达到输送油液与增大油液的压力的目的。影响齿轮泵性能的因素一方面源于齿轮泵本身的结构设计，例如困油现象，解决这样的问题同样要从设计入手，开卸荷槽可以改善困油问题，开双卸荷槽则能消除困油现象。对齿轮泵的齿形进行优化也能解决困油问题调高齿轮泵的性能。影响齿轮泵性能的另一方面因素则是使用过程中因为不规范的操作，错误的安装，油液品质差等。另外就像许多机械一样，材料的使用同样限制着齿轮泵性能的进一步提高。

从动齿轮

主动齿轮

前端盖

泵体

后端盖

图2.1 外啮合齿轮泵结构图

2.1.3 计算流体动力学简介

计算流体动力学英文简称CFD,是数值数学,计算机科学，近代流体力学的交叉学科。CFD依托计算机，对各种流体问题进行仿真模拟，数值化实验和分析研究。CFD的发展可以分为以下几个阶段：20世纪60年代至20世纪70年代间CFD开始兴起，在这个阶段人们将简单的流体问题用计算机进行求解，并将得到的结果与实验数据进行对比，以确保CFD方法的准确性，同时也确认了CFD有替代实体实验的潜力，在计算机计算能力足够的情况下，发展CFD技术能有效解决实际应用中出现的问题。在这个阶段人们也开始思考如何将CFD应用于复杂边界的流场分析。20世纪70年代中期到20世纪80年代中期，CFD开始得到工业上的认可，并逐步被推广，同时CFD作为一门科学也吸引着越来越多的人学习。在这期间第一款商业化的CFD软件被推向市场，虽然并没有取得预期的效果，但是对于CFD这门科学而言仍有着重要意义。正是商业化的CFD软件进入市场，原先五花八门的由个人或者工作室制作并只在小范围使用，互相之间不具备交互性的软件被取代，使得不同的研究机构与团体有了相互交流相互学习的机会，也使得CFD能更快速地发展。20世纪80年代中期至今CFD得到了飞速的发展，在这期间工业界开始真正相信CFD能够解决实际问题，其精确度，应用范围都足以应付工业生产中遇到的问题。CFD从兴起至今历经60年时间，借力于计算机科学的飞速发展CFD已经成为一门较为成熟的科学，不仅能对实际工程中遇到的问题进行分析，也同样能预测实验中尚未发现的新现象。市面上比较常用的CFD软件能完成从建模，网格划分到分析流场，结果展示所有的工作，使得进行流场分析更加简便快捷。常见的CFD软件包括：CFX，Fluent，Pumplinx等。其中Fluent具有精度高，成本低等优点，其动网格功能面对运动边界的计算分析功能表现较其他软件更有明显优势，这对本文的研究对象外啮合齿轮泵而言有重要意义，所以作者选择Fluent作为研究工具。但同时Fluent也有着明显的缺点，其对网格质量要求极高，在计算中容易出现负体积，网格畸变等问题，对研究者的网格划分能力提出了挑战。CFD求解的中心思想是离散化，类似于微积分的思想，将原本连续的参数或者物理量用有限个分散的离散点代替，对这些点进行求解，所得到的结果即为所求参数的近似解。CFD求解有三种方式：有限差分法将求解对象用含有坐标的网进行分割，在每一个节点将控制方程的每一个导数用相应的差分形式表示。如果用以切割的网够细，那么可以认为节点附近区域能用代数方程描述，故这样的取点能有效反应真实情况；有限体积法与有限差分法不同的是，有限体积法基于积分形式的守恒方程，而有限差分法基于微分方程，故有限体积法产生的离散方程总具有守恒性；有限元法将研究对象分为一系列单元体（三维情况下如四面体，六面体等，二维情况下则是三角形或矩形等），在每个单元体上取数个节点。

2.1.4 流动控制方程

根据流体的粘性，可压缩性可以将其分为不同种类，在实际问题中还要考虑层流湍流的问题，但无论哪一种情况流体总是满足质量守恒，能量守恒，动量守恒，根据此条件可以推导出流动控制方程：连续性方程，能量方程，运动方程。

能量方程如公式2.1所示，其中c_p为比热容，T为温度，K为流体的导热系数，S_T为粘性耗散项。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：