基于FLUENT的高頻電控電磁泵動態特性研究

（淮陰工學院 交通工程學院，淮安 223003）

0 引言

隨著技術的發展，在汽車、國防、航空航天等領域對于泵的要求朝著小型化、智能化、易于控制等方向發展[1]。本文研究的電磁泵是一種往復式柱塞泵，動力端采用一種新型電磁鐵直接驅動活塞，省去了傳統往復泵中的曲軸、字頭、曲柄滑塊等中間傳動部件，從而大大降低了機械摩擦損失，提高了泵工作可靠性與傳遞效率[2]。

文獻[3]研究分析了電磁鐵的大推力、高頻運動、快速的響應能力、良好的耐污能力等特性。文獻[4,5]研制設計了多種電磁泵，并應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，并應用流體分析軟件FLUENT建立瞬態仿真模型，研究高頻電磁泵的工作特性。

1 電磁泵結構及原理

1.1 工作原理

電磁泵采用單體式往復泵結構，主要由作為驅動裝置的某種新型電磁鐵、進口單向閥、出口單向閥、活塞組件、連桿等部分組成，當柱塞做往復直線運動的過程中，泵腔做膨脹和壓縮變化，進、出口單向閥關閉和打開，從而進行吸液和排液。其電磁結構示意圖如圖1所示。

圖1 電磁泵工作原理結構示意圖

電磁泵是由電磁鐵在控制系統的作用下進行工作。電磁鐵工作磁場由線圈中控制電流產生的感應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，根據最小磁阻原理，在動鐵上產生相應的驅動力通過連桿直接驅動柱塞在活塞缸內做往復直線運動。

1.2 單向閥方案設計

單向閥在液壓系統中通常作為配流閥使用，僅允許液體單向通流。根據電磁泵的高頻響應特性，以及進出口單向閥之間的匹配關系，進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物圖

圖3 立柱式閥芯單向閥原理結構示意圖

2 數學模型以及計算方法

2.1 數學模型的建立

由于進、出口單向閥、泵腔內部結構特點，以及活塞在電磁鐵高頻運動工作時，電磁泵在泵入與泵出液體的過程中，泵腔內的流場變化大，內部流體運動劇烈，而且雷諾數較小，流速分布梯度大。泵腔內以及閥片附近區域極易產生渦旋，成為低雷諾數湍流運動。所以在對電磁泵進行瞬態仿真分析的過程中，采用SST k-ω湍流模型。該模型對于近壁面區以及邊界層外和自由流動區域均具有較高的計算準確度[6～8]。

SST k-ω兩方程模型：

有效擴散系數：

式中：S是應變率，σk和σω分別是對應k和ω的湍流普朗特數，μt為湍流粘度，α*=1。

由于仿真實驗中，使用的工質液體為純凈水水，其為不可壓流體，從而可以得到相應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；Δp為閥片壓差；Cq閥片流量系數；Ao閥口流通截面積；ρ液體密度。

閥片的流量系數Cq以及流通截面積Ao均取決于閥結構設計，而閥片兩側的液體壓力差主要是由橡膠膜片做變形往復運動的速度所決定。

2.2 網格劃分和初始條件

研究對象為電磁泵腔內流體的流動以及進、出口單向閥結構參數對高頻電磁泵特性的影響。根據電磁泵泵腔結構、單向閥結構參數建立流動數值仿真模型。

表1 數值模型基本參數

由于CFD仿真軟件Fluent在瞬態數值模擬的時候要保證流場的連續性，不能完全閉合，所以在對進口單向閥和出口單向閥建模的時候，保證和相應壁面之間有一個微小間隙0.02mm。

圖4 數值模型網格劃分示意圖

為了減少動網格更新的計算量，在建模的時候將不同的流場空間劃分成相應的流動區域，區域不同網格劃分規則及網格密度則不同，在Gambit建立了包括進液口、活塞腔、進口單向閥運動區域、出口單向閥運動區域、出液孔道、出液口的泵二維幾何模型，并根據區域不同網格劃分規則及網格密度則不同，其中活塞腔壁面速度梯度和單向閥閥口區域靜壓力梯度比較大，對該區域網格進行細化處理，以獲得較好的求解精度，網格如圖4所示。

進、出口單向閥的運動規律是主要受液體壓力變化和彈簧壓縮變形后產生的彈簧力共同作用，促使閥芯打開和關閉。在CFD仿真軟件FLUENT中，根據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為單向閥閥芯質量，v為閥芯運動速度，Fflow為工質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為彈簧變形后產生的彈簧力。

3 流動特性結果分析與模型驗證

3.1 流動特性結果分析

圖5 電磁泵動鐵與進出口單向閥運動規律

以高頻電磁泵樣機建立流動數值仿真模型，在工作頻率為50Hz的工況下進行數值分析計算，其動鐵的運動規律為勻加速和勻減速運動，電磁泵的運動規律與進、出口浮片閥的運動曲線和受力情況如圖5所示。

開始階段，活塞在動鐵帶動下做往復運動，活塞腔容積變大，腔內產生負壓，進口單向閥打開，出口單向閥關閉，工質液體從進液口流入泵腔之中，當活塞運動到最大位置，活塞反向運動，活塞腔體積變小，活塞腔內部產生正壓力，進口單向閥關閉，出口單向閥打開，液體從活塞腔中流出。進口單向閥在進液的過程中，開啟的響應時間為4.62ms，排液的過程中關閉響應時間2.67ms，出口單向閥在排液的過程中響應時間為4.13ms，關閉響應的時間為2.43ms。其中單向閥閥芯的運動，存在一定的波動性，原因是因為工質液體由于慣性作用，運動狀態不能立刻變成靜止，其會在腔內和單向閥閥芯內部中形成一定的渦旋，帶動附近的流體運動，作用在單向閥閥芯上，從而產生一定的波動。

圖6 電磁泵不同時刻進口單向閥壓力與速度云圖

圖7 電磁泵不同時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中不同時刻進出口單向閥壓力和速度分布云圖。活塞做往復運動的過程中，活塞腔體積增大，真空度驟增，外部的工質液體作用在進口單向閥閥芯上，促使進口單向閥開啟，外部液體以高速經過閥口進入到活塞中，直至活塞在活塞腔中運動到極限位置。同理，當活塞向相反的方向運動時，活塞腔體積減小，產生正壓，促使進口單向閥關閉，出口單向閥打開。由于單向閥結構特點以及活塞的高頻運動，單向閥閥芯區域會出現明顯的滾流的現象。

3.2 仿真模型的驗證

以電磁泵凈輸出流量為評價標準，并進行電磁泵的流量特性試驗，試驗在如圖8所示電磁泵的流量特性測試平臺上進行。通過在上位機上調節單片機控制系統，使其工作頻率為50Hz，當其流量穩定的情況下，讀取泵穩態流量，對高頻電磁泵測試5組實驗數據，取平均值并通過換算關系得到單周期的流量并與仿真計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示意圖

圖9 進口與出口的液體流量

從圖9進口與出口液體質量流量圖可以得到仿真值為1.54g，實驗測得值為1.43g，誤差為7.143%，從而驗證了仿真模型的準確性和高頻電磁方案的可行性。

4 高頻電磁泵運動規律

高頻電磁泵的運動規律會影響活塞腔的壓力、速度分布從而改變單向閥的運動規律和電磁泵的性能。在工作頻率為50Hz時選取以下三種運動規律（1響應時間為6ms；2響應時間為8ms；3響應時間為10ms），建立高頻電磁流動仿真模型進行分析。

圖10 不動電磁泵運動規律曲線圖

圖11 不同運動規律下電磁泵進出口流量

從圖11中可知，在不同電磁泵運動規律下電磁泵的進出口流量，可知運動規律3（響應時間為6ms）進出口流速都較快，電磁泵的凈輸出流量同比增長18.8%，說明減小電磁泵響應時間，能夠有效增加電磁泵的有效輸出流量。

5 結論

本文根據流體力學理論對電磁泵動態特性進行了研究分析，建立流量測試試驗平臺，驗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時間能夠提升高頻電磁泵的性能，也為高頻電磁泵的進一步應用打下基礎。