基于FLUENT的高频电控电磁泵动态特性研究

（淮阴工学院 交通工程学院，淮安 223003）

0 引言

随着技术的发展，在汽车、国防、航空航天等领域对于泵的要求朝着小型化、智能化、易于控制等方向发展[1]。本文研究的电磁泵是一种往复式柱塞泵，动力端采用一种新型电磁铁直接驱动活塞，省去了传统往复泵中的曲轴、字头、曲柄滑块等中间传动部件，从而大大降低了机械摩擦损失，提高了泵工作可靠性与传递效率[2]。

文献[3]研究分析了电磁铁的大推力、高频运动、快速的响应能力、良好的耐污能力等特性。文献[4,5]研制设计了多种电磁泵，并应用理论分析了电磁的工作特性。本文提出一种新型的高频电磁泵，并应用流体分析软件FLUENT建立瞬态仿真模型，研究高频电磁泵的工作特性。

1 电磁泵结构及原理

1.1 工作原理

电磁泵采用单体式往复泵结构，主要由作为驱动装置的某种新型电磁铁、进口单向阀、出口单向阀、活塞组件、连杆等部分组成，当柱塞做往复直线运动的过程中，泵腔做膨胀和压缩变化，进、出口单向阀关闭和打开，从而进行吸液和排液。其电磁结构示意图如图1所示。

图1 电磁泵工作原理结构示意图

电磁泵是由电磁铁在控制系统的作用下进行工作。电磁铁工作磁场由线圈中控制电流产生的感应磁场和永磁体极化磁场共同组成，在软磁材料和永磁材料中行成磁通回路。在磁通回路中，根据最小磁阻原理，在动铁上产生相应的驱动力通过连杆直接驱动柱塞在活塞缸内做往复直线运动。

1.2 单向阀方案设计

单向阀在液压系统中通常作为配流阀使用，仅允许液体单向通流。根据电磁泵的高频响应特性，以及进出口单向阀之间的匹配关系，进口单向阀和出口单向阀皆采用立柱式阀芯单向阀。

图2 立柱式阀芯单向阀实物图

图3 立柱式阀芯单向阀原理结构示意图

2 数学模型以及计算方法

2.1 数学模型的建立

由于进、出口单向阀、泵腔内部结构特点，以及活塞在电磁铁高频运动工作时，电磁泵在泵入与泵出液体的过程中，泵腔内的流场变化大，内部流体运动剧烈，而且雷诺数较小，流速分布梯度大。泵腔内以及阀片附近区域极易产生涡旋，成为低雷诺数湍流运动。所以在对电磁泵进行瞬态仿真分析的过程中，采用SST k-ω湍流模型。该模型对于近壁面区以及边界层外和自由流动区域均具有较高的计算准确度[6～8]。

SST k-ω两方程模型：

有效扩散系数：

式中：S是应变率，σk和σω分别是对应k和ω的湍流普朗特数，μt为湍流粘度，α*=1。

由于仿真实验中，使用的工质液体为纯净水水，其为不可压流体，从而可以得到相应的流量特性控制方程为：

式中，Q为单向阀流量；sgn（·）为符号函数；Δp为阀片压差；Cq阀片流量系数；Ao阀口流通截面积；ρ液体密度。

阀片的流量系数Cq以及流通截面积Ao均取决于阀结构设计，而阀片两侧的液体压力差主要是由橡胶膜片做变形往复运动的速度所决定。

2.2 网格划分和初始条件

研究对象为电磁泵腔内流体的流动以及进、出口单向阀结构参数对高频电磁泵特性的影响。根据电磁泵泵腔结构、单向阀结构参数建立流动数值仿真模型。

表1 数值模型基本参数

由于CFD仿真软件Fluent在瞬态数值模拟的时候要保证流场的连续性，不能完全闭合，所以在对进口单向阀和出口单向阀建模的时候，保证和相应壁面之间有一个微小间隙0.02mm。

图4 数值模型网格划分示意图

为了减少动网格更新的计算量，在建模的时候将不同的流场空间划分成相应的流动区域，区域不同网格划分规则及网格密度则不同，在Gambit建立了包括进液口、活塞腔、进口单向阀运动区域、出口单向阀运动区域、出液孔道、出液口的泵二维几何模型，并根据区域不同网格划分规则及网格密度则不同，其中活塞腔壁面速度梯度和单向阀阀口区域静压力梯度比较大，对该区域网格进行细化处理，以获得较好的求解精度，网格如图4所示。

进、出口单向阀的运动规律是主要受液体压力变化和弹簧压缩变形后产生的弹簧力共同作用，促使阀芯打开和关闭。在CFD仿真软件FLUENT中，根据流固耦合的基本理论和方法，借助DEFINE_CG_MOTION宏来定义阀芯速度边界条件。受力情况可由牛顿第二定律来描述：

式中：m为单向阀阀芯质量，v为阀芯运动速度，Fflow为工质液体对单向阀阀芯的作用力，△p阀芯上下表面压差，Ac阀芯有效作用面积，Ac=πD2/4（D为有效直径）；Fspring为弹簧变形后产生的弹簧力。

3 流动特性结果分析与模型验证

3.1 流动特性结果分析

图5 电磁泵动铁与进出口单向阀运动规律

以高频电磁泵样机建立流动数值仿真模型，在工作频率为50Hz的工况下进行数值分析计算，其动铁的运动规律为匀加速和匀减速运动，电磁泵的运动规律与进、出口浮片阀的运动曲线和受力情况如图5所示。

开始阶段，活塞在动铁带动下做往复运动，活塞腔容积变大，腔内产生负压，进口单向阀打开，出口单向阀关闭，工质液体从进液口流入泵腔之中，当活塞运动到最大位置，活塞反向运动，活塞腔体积变小，活塞腔内部产生正压力，进口单向阀关闭，出口单向阀打开，液体从活塞腔中流出。进口单向阀在进液的过程中，开启的响应时间为4.62ms，排液的过程中关闭响应时间2.67ms，出口单向阀在排液的过程中响应时间为4.13ms，关闭响应的时间为2.43ms。其中单向阀阀芯的运动，存在一定的波动性，原因是因为工质液体由于惯性作用，运动状态不能立刻变成静止，其会在腔内和单向阀阀芯内部中形成一定的涡旋，带动附近的流体运动，作用在单向阀阀芯上，从而产生一定的波动。

图6 电磁泵不同时刻进口单向阀压力与速度云图

图7 电磁泵不同时刻出口单向阀压力与速度云图

图6和图7展示了高频电磁泵工作循环中不同时刻进出口单向阀压力和速度分布云图。活塞做往复运动的过程中，活塞腔体积增大，真空度骤增，外部的工质液体作用在进口单向阀阀芯上，促使进口单向阀开启，外部液体以高速经过阀口进入到活塞中，直至活塞在活塞腔中运动到极限位置。同理，当活塞向相反的方向运动时，活塞腔体积减小，产生正压，促使进口单向阀关闭，出口单向阀打开。由于单向阀结构特点以及活塞的高频运动，单向阀阀芯区域会出现明显的滚流的现象。

3.2 仿真模型的验证

以电磁泵净输出流量为评价标准，并进行电磁泵的流量特性试验，试验在如图8所示电磁泵的流量特性测试平台上进行。通过在上位机上调节单片机控制系统，使其工作频率为50Hz，当其流量稳定的情况下，读取泵稳态流量，对高频电磁泵测试5组实验数据，取平均值并通过换算关系得到单周期的流量并与仿真计算得到的出口净输出流量相对比。

图8 高频电磁泵流量测试平台示意图

图9 进口与出口的液体流量

从图9进口与出口液体质量流量图可以得到仿真值为1.54g，实验测得值为1.43g，误差为7.143%，从而验证了仿真模型的准确性和高频电磁方案的可行性。

4 高频电磁泵运动规律

高频电磁泵的运动规律会影响活塞腔的压力、速度分布从而改变单向阀的运动规律和电磁泵的性能。在工作频率为50Hz时选取以下三种运动规律（1响应时间为6ms；2响应时间为8ms；3响应时间为10ms），建立高频电磁流动仿真模型进行分析。

图10 不动电磁泵运动规律曲线图

图11 不同运动规律下电磁泵进出口流量

从图11中可知，在不同电磁泵运动规律下电磁泵的进出口流量，可知运动规律3（响应时间为6ms）进出口流速都较快，电磁泵的净输出流量同比增长18.8%，说明减小电磁泵响应时间，能够有效增加电磁泵的有效输出流量。

5 结论

本文根据流体力学理论对电磁泵动态特性进行了研究分析，建立流量测试试验平台，验证了仿真模型可行性，以及高频电磁泵方案的可行性，并通过在50Hz的工作频率下，通过缩短电磁泵的响应时间能够提升高频电磁泵的性能，也为高频电磁泵的进一步应用打下基础。