一、背景

      齿轮泵是一种非常常见的容积式旋转机械。齿轮泵具有结构简单、制造方便、价格低廉、体积小、重量轻、自吸性能好、对油液污染不敏感、工作可靠、寿命长和便于维护修理等优点。广泛应用于润滑系统、燃油供给、液压传动等场合。

      与透平式旋转机械不同，容积式旋转机械由于其工作原理，在泵运行的过程中，其腔内容积随着齿轮啮合程度的不同而不停的变化着。这就使得我们在对齿轮泵的流体性能进行仿真时，无法采用较为简单的定常模拟，只能用非定常模拟的方式来捕捉不同腔内流动的情况。

图1 一般齿轮泵结构

      利用CFD方法来进行齿轮泵产品的性能仿真，难点在于需要采用合理的方法来处理网格的变形，从而描述腔内流体变形的情况。

      目前ANSYS fluent软件，提供两种方式来模拟上述的网格变形的情况。分别是动网格方式与overset网格方式。相较于传统的动网格方式，利用overset网格来进行网格形状变形模拟，有着使用简单，不容易出现负体积等优点。但是需要注意的是，利用overset网格，需要重点对关注区域的流体进行加密，以保证网格在交叠的过程中，能识别重叠区域的网格，而不会造成流场的断点。

      二、Overset网格功能简介

      动网格方式主要是通过网格的节点移动以及网格重构等方式来进行不同类型的网格变化。与传统的动网格方式不同，overset功能主要是通过将多个独立生成的网格区域进行重叠组合，以此处理复杂的几何形状和物体的相对运动。

      （一）Overset的专业术语

      要了解overset网格功能，需要先了解overset的一些专业术语。

• Overset interface（overset网格交界面）：将一个或多个组件网格与一个或多个背景网格配对的面。与传统的流体交界面类似，主要作用是用于确认受体的边界。
• Background grid（背景网格）：公共区域的网格。
• Component grid（组件网格）：一般是运动区域的网格。
• Overset boundary（overset边界）：用于指定overset区域的范围。

图2 overset网格的关键术语

      在overset网格中，网格共分为四类。分别是Donor、Solve、Receptor、Orphan、Dead网格。其中重叠部分由Donor和Receptor共同差值获得；Solver网格处于相对较为稳定的网格，在Donor和Receptor之间；Orphan为无法获得重叠的网格（只有一侧有网格），属于差值失败的网格，是我们在采用overset方法的过程中需要重点关注的；Dead网格属于不参与计算的网格。

图3 overset功能不同类型的网格说明

      （二）Overset的设置步骤

      1.读入所有的相关网格。

      2.将需要的面设置为overset边界。

      3.设置overset边界面。

      4.定制网格优先度（通过TUI命令）。

      5.初始化网格，并查看网格是否合理。

图4 overset网格设置的步骤

      （三）利用overset网格求解齿轮泵内部流场

      1.几何准备

      选择一个常见的外啮合齿轮泵作为模拟的对象。整个流体域分为进口段、出口段、腔体，以及两个齿轮转子。完成流体域抽取之后的几何见图5所示。

图5齿轮泵流体域区域

      由于本文采用overset的方式进行齿轮泵流场的求解。因此对于转子区域的几何进行重构。对转子外围进行一定的偏移，以形成component1与component2。同时填充整个腔体区域，以形成Background区域。完成处理之后的几何，见图5所示。完成几何的绘制后，还需要对几何的边界进行命名。具体的命名，见下表1所示。

表1 边界条件命名情况

图6 采样overset方式的几何

      2.网格划分

      在网格工具中，分别为Background、Component1以及Component2划分网格。需要注意的是，为了保证背景网格与组件网格在插值时可以生成较好的网格精度，不产生Orphan网格，因此对可能重叠的位置进行加密。最终生成的网格见下图7所示。

图7 网格情况

      3.求解及后处理

      在fluent中导入划分好的网格。Fluent中设置见下图8所示。

图8 overset网格基本设置

      完成基本设置后，对case进行初始化，可以得到软件自动差分后的网格情况。初始化之后的网格，见下图9所示。

图9 初始化之后的网格

      同时可以在云图中查看，当前的网格是否有orphan网格，以及orphan网格的位置。如图10所示。

图10 网格类型云图

      确认网格符合要求后，可以进行进一步的求解计算。在计算的过程中，还可以监测整个齿轮泵运行过程中的流量脉动、压力脉动、速度及压力的云图变化等情况。如下图11-12所示。

图11 在0.02s时的速度云图情况

图12 在0.02s时的压力云图情况

      三、总结

      虽然overset功能同样存在一些限制条件，如在使用overset功能时，计算域中不能包含固体，这就意味着无法使用overset功能来进行共轭传热的计算，再比如在使用overset功能时，无法对component网格采用周期性边界条件等。但是利用Fluent Overset功能，可以较为方便的针对于运动部件进行CFD仿真。可以有效避免采用动网格方法时可能出现的，在网格重构过程中出现负网格的问题。

      因此我们在对容积式旋转机械进行仿真时，可以根据自己的实际情况，选择合理的计算方式进行仿真。