[發明專利]一種液壓泵柱塞副溫度場的流固熱耦合分析方法

有效

• 申請號: 201910214526.2
• 申請日: 2019-03-20
• 公開（公告）號: CN110287506B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 馬紀明;劉勝;侯靜;宋岳恒;曹博鴻
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/23
• 代理公司: 北京安哲思知識產權代理事務所(普通合伙) 11699
• 代理人: 蒲志鳳

本發明公開了一種液壓泵柱塞副溫度場的流固熱耦合分析方法，提出一種合理的數值模擬法求解能量方程，最終模擬出柱塞副穩態時溫度場的分布情況；首先分析柱塞副的油膜特性，然后進行溫度場的分析與計算，包括整體流程、邊界條件的確定、流體和固體邊界熱傳導的計算方式、理論模型的確定和模型的求解等；最終基于MATLAB實現該求解過程所得的結果，過程中考慮了邊界向外傳熱的情況，因此更貼近實際工況。

技術領域

本發明屬于流體傳動與控制技術領域，具體涉及一種液壓泵柱塞副溫度場的流固熱耦合分析方法。

背景技術

液壓泵在工業領域具有廣泛的應用，其性能、可靠性和壽命直接影響系統相關特性。影響液壓泵可靠性的主要失效模式有老化、疲勞和磨損三種，油液的溫度對柱塞泵部件的失效有著直接影響。柱塞-轉子副(柱塞副)是液壓柱塞泵主要的運動副之一，柱塞副油膜特性分析問題涉及流場、結構運動和受力(結構)、和溫度場分析，是典型的流固熱耦合問題，國內外針對這個問題有實驗測量法、經驗公式法、解析法和數值模擬法四種分析方法，現階段最有研究意義的為數值模擬法。溫度場分析是油膜特性分析的主要環節，對于掌握液壓泵運動副失效機理，進而針對典型故障模式(如過熱、磨損、密封件老化導致的泄漏等)采取有效的控制措施，保證其長期工作的穩定性和可靠性具有至關重要的意義。

溫度場的分析涉及兩個方面：(1)理論分析模型的建立。國內外研究者針對溫度場分析的理論模型大都基于能量方程，加入了針對具體問題的分析，確定了相應的理論模型，由于側重點不同，理論分析模型也是多種多樣。(2)模型的解算方法。溫度場的計算模型通常利用數值模擬法計算其近似解，常用方法有限差分法、有限元法和邊界元法。

確定理論模型時，適當地將問題簡化，但盡可能考慮多種因素，逼近實際工況。對于柱塞副這種簡單幾何形狀中的換熱問題的模型解算，有限差分法最易實施，也有足夠的準確性。但能量方程本身是一個非常復雜的能量方程，數值法解算結果很難收斂并合理，因此國內外還沒有很好地解決這個問題的辦法。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種液壓泵柱塞副溫度場的流固熱耦合分析方法，能模擬出柱塞副穩態時溫度場的分布情況。

一種液壓泵柱塞副溫度場的流固熱耦合分析方法，包括如下步驟：

步驟1、確定柱塞溫度場的理論模型，具體為：

S11、確定柱塞副的油膜半徑方向兩個邊界的邊界溫度T_solid；油膜軸向兩個邊界的邊界溫度T_oil，以及柱塞腔出口處邊界溫度T_ref；

S12、柱塞副間隙油膜的能量方程表示成公式(2)所示的形式：

式中：ρ₀表示油液的密度；c₀表示油液的比熱容；k為油液的熱導率；u,v,w分別為油液在θ,r,z方向的速度；T為油膜溫度分布；Φ_D為熱源項，又稱耗散函數；R_p表示柱塞底部半徑；q為泵的流量；△T為泵出入口油液的溫差；V為泵內油液總體積；

S13、柱塞副油膜邊界的熱傳導模型如公式(4)所示：

T＝T₀-λ(T₀-T_a)△l (4)

式中：T₀為初始油膜溫度；T_a為與油膜發生熱傳導的外界物體的溫度；λ為熱傳導系數，其大小根據發生熱傳導的材料而定；△l為熱傳導方向每個網格的長度；

步驟2、對步驟1確定的能量方程進行無量綱化，得到無量綱的能量方程，并寫成標準形式；然后用近似形式代替偏導形式，確定離散方程中的各項系數，通過迭代得到僅考慮邊界絕熱的無量綱溫度分布；之后加入邊界傳熱的計算，得到最終的溫度場分布，具體步驟如下：