流体机械

参数	数值
叶片数量	5
基圆半径/mm	26.5
正弦曲线幅值/mm	3.34
转子长度/mm	100
上下刮板长度/mm	13.47
上下刮板大头半径/mm	3.34
上下刮板中心距/mm	41
进口直径/mm	55
出口直径/mm	32
额定转速/（r⋅min^-1）	1 500
额定压力/MPa	20

参数	数值
叶片数量	5
基圆半径/mm	26.5
正弦曲线幅值/mm	3.34
转子长度/mm	100
上下刮板长度/mm	13.47
上下刮板大头半径/mm	3.34
上下刮板中心距/mm	41
进口直径/mm	55
出口直径/mm	32
额定转速/（r⋅min^-1）	1 500
额定压力/MPa	20

参数	数值
密度/（kg⋅m^-3）	865
黏度/（Pa⋅s）	0.109 9
表面张力/（N⋅m^-1）	0.3
饱和蒸汽压/Pa	400

参数	数值
密度/（kg⋅m^-3）	865
黏度/（Pa⋅s）	0.109 9
表面张力/（N⋅m^-1）	0.3
饱和蒸汽压/Pa	400

参数	数值
密度/（kg⋅m^-3）	7 899
弹性模量/GPa	210
泊松比	0.3
屈服强度/MPa	980
抗拉强度/MPa	835

参数	数值
密度/（kg⋅m^-3）	7 899
弹性模量/GPa	210
泊松比	0.3
屈服强度/MPa	980
抗拉强度/MPa	835

压力/MPa	计算流量误差/%	试验流量/（kg⋅s^-1）
5	20.75	5.53	2.55	3.77	3.96
10	24.11	9.17	2.42	2.59	3.73
15	26.42	10.42	3.80	3.14	3.31
20	28.36	13.92	6.17	6.73	3.20
25	42.66	17.41	13.66	8.44	3.07

压力/MPa	计算流量误差/%	试验流量/（kg⋅s^-1）
5	20.75	5.53	2.55	3.77	3.96
10	24.11	9.17	2.42	2.59	3.73
15	26.42	10.42	3.80	3.14	3.31
20	28.36	13.92	6.17	6.73	3.20
25	42.66	17.41	13.66	8.44	3.07

双作用式五叶刮板泵流固耦合特性分析

李铭浩 ¹ , 张世功 ² , 张洪信 ¹ , 王冲 ¹

流体机械 | 设计计算 2025,53(5): 64-72

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (5) : 64 -72

双作用式五叶刮板泵流固耦合特性分析

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李铭浩¹, 张世功², 张洪信¹, 王冲¹

作者信息

¹青岛大学，山东青岛 266071

²青特集团有限公司，山东青岛 266041

通讯作者:

张洪信（1969），男，教授，博士研究生导师，主要从事动力系统集成仿真匹配方法研究，通信地址：266071山东省青岛市青岛大学机电工程学院，E-mail：zhx@qdu.edu.cn。

作者简介:

李铭浩（2000），男，硕士研究生，主要从事新型动力传动技术，E-mail：lmh17852832171@126.com。

Characterization of fluid-solid coupling in double‑acting five‑blade scraper pump

Minghao LI¹, Shigong ZHANG², Hongxin ZHANG¹, Chong WANG¹

Affiliations

¹School of Qingdao University，Qingdao 266071，China

²Qingte Group Limited，Qingdao 266041，China

出版时间: 2025-05-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.009

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摘要

收起

针对传统容积泵结构复杂且自密封性差的问题，设计了一种双作用式五叶刮板泵。利用上下刮板取代传统叶片泵的往复运动叶片，形成一种新型无阀式、结构紧凑的流体动力装置。基于2.5D动态网格耦合粘性壁面策略和试验测试相结合的方法，对双作用式五叶刮板泵进行流固耦合分析，得到了在流场特性影响下，转子-刮板在压力载荷作用下的应力分布以及变形量分布特性，以及转子-刮板的模态特性。结果表明：流固耦合作用对转子-刮板结构影响较大，转子-刮板的应力和变形随转速的增大而减小，当转速由900 r/min增至2 700 r/min，最大von‑Mises应力减小24.56%，最大变形减小13.79%；不同负载压力对转子-刮板各阶振动频率没有明显变化，湿模态振动频率略低于流固耦合作用下的振动频率。该研究为双作用式五叶刮板泵的结构优化设计提供了一定的参考。

关键词

双作用式五叶刮板泵 / 内流场 / 流固耦合 / 模态分析

Abstract

收起

Aiming at the issues of complex structure and poor self‑sealing in traditional positive displacement pumps，a double‑acting five‑blade scraper pump was designed.Using the up‑and‑down scrapers to replace the reciprocating vanes found in traditional vane pumps，creating a novel non‑valved，compact fluid power device.Based on the 2.5D dynamic grid coupled viscous wall strategy and experimental testing，a fluid-solid coupling analysis was conducted on a double‑acting five‑blade scraper pump.The stress distribution and deformation distribution characteristics of the rotor scraper under pressure load were obtained under the influence of flow field characteristics，as well as the modal characteristics of the rotor scraper.The results indicate that the fluid-solid coupling significantly affects the structure of the rotor‑scrapers.The stress and deformation of the rotor scrapers decrease with the increasing of rotational speed.Specifically，with the rotational speed increased from 900 r/min to 2 700 r/min，the maximum equivalent stress decreases by 24.56%，and the maximum deformation decreases by 13.79%.The vibration frequency of rotor and scraper under different load pressure has no obvious change，and the wet mode vibration frequency is slightly lower than that under fluid-solid coupling.This study provides valuable insights into the structural optimization and design of double‑acting five‑blade scraper pumps.

Key words

double‑acting five‑blade scraper pump / internal flow field / fluid-solid coupling / modal analysis

引用本文

李铭浩, 张世功, 张洪信, 王冲. 双作用式五叶刮板泵流固耦合特性分析. 流体机械, 2025 , 53 (5) : 64 -72 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.009

Minghao LI, Shigong ZHANG, Hongxin ZHANG, Chong WANG. Characterization of fluid-solid coupling in double‑acting five‑blade scraper pump[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (5) : 64 -72 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.009

正文

收起

0　引言

收起

世界上超过30%的电力消耗归因于流体动力装置，其中容积泵（或马达）在人类社会的运行中起着至关重要的作用。容积泵有往复泵、齿轮泵、叶片泵、单螺杆泵等多种类型^［1-2］。然而，这些容积泵具有特定的容积小、流量低、效率低和结构复杂性缺陷。青岛大学提出了一种名为双作用式刮板泵的新型容积泵，该泵有效地克服了上述容积泵的缺点，具有自密封、容积利用率高、结构紧凑、成本低等优点，可替代各种广泛使用的泵、压缩机等动力设备^［3-5］。为了避免设备在使用过程中出现运动副受力过大、刮板损坏等情况，需要对双作用式五叶刮板泵的内流场及关键转子-刮板运动副进行流固耦合分析。

各种类型的转子式机械必须在流体中进行能量和质量交换，因此，双作用式五叶刮板泵在运行过程中不可避免地被完全淹没，使得泵固体结构之间的力学性能和振动特性变得复杂。郑梦梦等^［6］研究椭圆转子刮板泵的理论平均流量公式，建立了泵流量脉动率及面积利用系数的数学模型。ZHU等^［7-8］研究了一种新型结构的直驱旋转控制阀的流动特性，并验证了优化后结构的稳定性，通过试验和仿真结果对比表明，改进后的模型在扭矩方面比原始模型降低了约17%。

目前，流固耦合分析在流体机械领域是一个研究热点^［9-11］。施卫东等^［12］研究了轴流泵内部流场与叶轮之间的耦合作用，比较了耦合和非耦合状态下叶片的压差情况，结果表明考虑流固耦合作用的流场更接近真实流场。梁建术等^［13］研究了折弯式波纹管的振动特性，对耦合和非耦合状态下的分析结果进行了比较，结果表明流固耦合作用对于系统的固有频率影响较大。袁寿其等^［14］利用CFX软件对螺旋离心泵进行了流固耦合分析，结果表明流固耦合在不同流量下对压力、径向力都有显著的影响。张顺锋等^［15-16］研究了液压滑阀的内部流场特性，通过流固耦合方法分析了阀芯的变形及应力分布规律。王凯丽等^［17］采用三维流场分析方法研究了柱塞泵配流副的流场分布情况。陆钧成等^［18］对不同大小和形状的水泵进出口结构进行仿真，解决水泵单元在运行过程中存在的振动和噪声问题。

模态分析是一种现代结构动力学研究方法，用于确定结构的固有振动特性，也为其他动力学分析提供了基础^［19-21］。刘厚林等^［22］通过流固耦合对余热排出泵转子无预应力和有预应力情况下的模态进行了对比分析，结果显示，应考虑预应力情况下固有频率的变化。蔡克伦等^［23］基于物理模型试验和有限元仿真，研究了一种刚-液-柔固液耦合结构的模态特性，研究表明，在模态分析时不能忽略流体的附加质量效应，内外压力的增大均会引起固有频率的降低。

本文首先对双作用式五叶刮板泵内部压力场与速度场进行建模和分析，随后进行转子-刮板的流固耦合计算分析，研究其在流固耦合情况下的应力以及变形分布特征，最后分析转子-刮板在流固耦合条件下的模态和湿模态，旨在为双作用式五叶刮板泵的结构优化设计提供理论参考。

1　双作用式五叶刮板泵结构原理

收起

双作用式五叶刮板泵是一种新型容积泵，利用上下摆动刮板取代传统叶片泵中的往复运动叶片，上下刮板与转子之间具有自密封效果。双作用式五叶刮板泵包含两个高压腔和两个低压腔，容积利用率大幅度提升。双作用式五叶刮板泵结构如图1所示，包括五叶正弦型转子、转子轴、上下刮板、扭转弹簧、左右滑动轴承组和泵壳等。主要参数如表1所示。

双作用式五叶刮板泵的基本工作过程如图2所示。外部电机逆时针旋转驱动转子轴旋转，上下刮板在扭转弹簧和流体压力作用下压靠在转子表面，同时绕转轴摆动并相对转子表面滑动。工作压力越高，自密封效果越好。在转子表面、上下刮板和泵腔内表面之间形成入流质腔、密封腔、出流质腔3个区域。流体不断从低压流道进入低压流质腔，通过压力作用进入密封腔，高压流体则持续从高压腔中排出，从而实现了外部机械能向流体压力能的转化。

2　数值模型

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2.1　网格无关性检验

双作用式五叶刮板泵网格区域划分如图3所示。图3（a）示出了流体区域网格，图3（b）示出了固体区域网格^［24］，其中，固体区域包括五叶转子、上下刮板。固体区域采用四面体网格，五叶转子与上下刮板的旋转区域采用扫掠四面体网格，流体入口、流体出口采用六面体网格，其余流体区域均采用四面体网格划分。研究中分别生成6种不同网格数量的分析区域^［25-26］。

为了减少网格划分引起的数值误差影响，分别对不同网格数量的旋转区域与固体区域进行网格无关性验证。如图4（a）所示，在旋转区域的评估中，选取转子以1 500 r/min旋转360°时的出口流量与出口总压作为评价指标。如图4（b）所示，固体区域的评估考虑在相同时刻下转子-刮板最大变形和最大von‑Mises应力。综合计算精度及计算时间，动流体区域选用数量110万的网格，而固体区域选用数量60万的网格。

2.2　材料及边界条件

流体区域考虑能量场的影响，工作介质选用抗磨液压油，具体参数如表2所示。

在固体区域中，转子和刮板选取屈服强度和耐磨性较高的38CrMoAl材料，其力学性能参数如表3所示。采用ANSYS Fluent软件对双作用式五叶刮板泵内的流动进行数值计算，选用RNG k-ε湍流模型，并采用PISO算法对压力场和速度场进行耦合。入口压力设置为101 325 Pa，出口压力范围为5~25 MPa。入口和出口温度均设置为300 K。中间转子转速为900~2 700 r/min。计算过程假定壳体壁面绝热，并使用动网格的方法处理中间转子与上下刮板间的运动。时间步长设置为12 000步，每步内迭代55次。

2.3　黏度壁面策略

上下刮板与中间转子转动过程中始终存在啮合关系，为了尽可能的接近实际情况，采用“2.5D动态网格耦合黏性壁面策略”模拟在转动过程中的上下刮板与中间转子的真实接触，即中间转子与上下刮板之间的固-固接触点。这种策略更加接近双作用式五叶刮板泵的实际运行情况，从而实现高精度的流场仿真。黏性壁面策略流程如图5所示。

啮合点周围介质黏度分布如图6所示。确定接触点处的黏度为抗磨液压油黏度μ_液压油的40倍。为了防止由于黏度突变导致计算不收敛，并保证内部流场和动量的连续性，接触点附近的黏度由μ_液压油（0.109 9 Pa⋅s）均匀增大到啮合点处的黏度40μ_液压油（4.396 Pa⋅s）^［27-28］。在计算的过程中采用用户自定义函数（UDF）实现黏性壁面处理。

3　结果与分析

收起

3.1　模型验证

利用YST400W液压综合试验台验证双作用式五叶刮板泵仿真的有效性，试验台如图7所示。

表4为泵在1 500 r/min运行时，不同负载压力下，双作用式五叶刮板泵的计算流量误差。考虑到双作用式五叶刮板泵工作压力范围较大（5~25 MPa），且数值计算中缺少间隙补偿，计算得到的流量均低于试验结果。将接触点黏度设为40μ_液压油时，在5 MPa压力条件下，计算流量误差为2.55%。在10 MPa压力条件下，计算流量误差仅为2.42%。在20 MPa额定压力下，计算流量误差为6.17%，均可以满足工程需要。将接触点处的黏度继续增加至80μ_液压油时，工作压力在25 MPa时，计算流量误差为8.44%，其数值精度也能够满足工程需要。文中将上下刮板与中间转子接触点处的黏度设置为40μ_液压油时，计算精度明显提高。可以实现对双作用式五叶刮板泵在额定压力下流场信息的准确预测。

3.2　压力场与速度场分析

双作用五叶刮板泵具有不对称的进出流质通道特征。在后处理过程中，沿着转子的径向将流体域分割为5个压力速度监测平面P₁~P₅，各监测平面的平均压力与平均流速情况如图8所示。

从监测平面P₁至P₃，P₅至P₃的平均压力和平均流速均呈上升趋势，监测平面P₃相较于P₁，P₅的平均压力提高63.41%，相较于P₂，P₄的平均压力提高36.73%。流速方面，监测平面P₃相较于P₁，P₂，P₄，P₅的平均流速提高52.32%。

在转速1 500 r/min、出口压力20 MPa的条件下，双作用式五叶刮板泵旋转至120°，240°和360°时的压力云图与速度云图如图9所示。由于上下刮板作用，在泵腔内部，介质从入口至出口形成10次增压过程，且沿着流动方向，介质压力逐渐升高。在转子与刮板啮合处存在最大压力和最小负压，最小负压位于转子旋转240°时的上刮板与转子的啮合处。在转子旋转一周的过程中，泵腔内部最高压力达到24 MPa，并且最大流速也出现在转子与刮板啮合处，最大泄漏速度为24 m/s。

3.3　不同转速下双作用式五叶刮板泵流量特性分析

图10示出在20 MPa工作压力下，双作用式五叶刮板泵转速与平均出口流量、流量不均匀系数之间的关系。

从图可见，随着转速的增加，双作用式五叶刮板泵的平均出口流量逐渐增大，在900，1 200，1 500，1 800，2 200 r/min五种转速下，平均出口流量分别达到3.4，4.2，4.8，5.7，6.4 kg/s；提高转速能有效增强双作用式五叶刮板泵的出口流量；较高的转速提高了流量输出能力，但是流量不均匀系数也随之升高，从而导致流量脉动增加。

3.4　标定工况下流固耦合作用分析

双作用式五叶刮板泵的输入功率为15 kW，电机的转速与输出扭矩成反比。将扭矩作为载荷条件施加在转子轴上，研究转子-刮板在纯扭矩作用下应力以及变形的情况。随后，基于流场数值模拟结果采用间接耦合方法分析泵内压力场和应力场的交互影响。得到上下刮板和中间转子在流体压力和流固耦合作用下的最大von‑Mises应力以及变形情况。图11示出功率为15 kW，转子转速为1 500 r/min，负载压力为20 MPa时，中间转子旋转至240°，转子-刮板在扭矩作用、流体压力作用和流固耦合作用下的等效应力与变形云图。

从图可见，在此工况下，转子-刮板最大扭矩应力为87.8 MPa，最大流场应力为222.9 MPa，而扭矩与流场的耦合应力值达到341.2 MPa。上述应力中，扭矩作用下转子-刮板的应力明显低于流场作用下的应力。转子-刮板因扭矩引起的变形约为0.012 mm，而流场所引起的变形约为0.057 4 mm，流固耦合作用下变形约为0.071 9 mm。由此表明，流场对转子-刮板的应力和变形影响显著大于扭矩，而两者耦合作用时，转子-刮板的应力和变形达到最大。

3.5　转速对转子-刮板应力与变形的影响

在负载压力20 MPa，转速900~2 700 r/min，3种工况（纯扭矩作用、流场压力作用和流固耦合作用）下，转子-刮板的最大von‑Mises应力和变形如图12所示。

从图可见，在扭矩作用下，随着转速增加，转子-刮板的最大von‑Mises应力和变形呈现减小趋势。在流场压力作用下，随着转速增加，转子-刮板的最大von‑Mises应力和变形均呈增大趋势，这是由于高速流体向出口运动时受到的反作用力增加。在流固耦合作用下，转子-刮板的最大von‑Mises应力与变形的变化趋势与扭矩作用下基本一致。由图12（a）所示，当转子转速由900 r/min增加至1 500 r/min时，流固耦合作用下转子-刮板最大von‑Mises应力减小了12%；当转速继续增大至2 700 r/min时，转子-刮板的最大von‑Mises应力减小约24.56%，在此阶段流场作用大于扭矩作用。如图12（b）所示，当转子转速由900 r/min增加至2 700 r/min时，在扭矩作用下转子-刮板的变形减小约3.38%，而流固耦合作用下转子-刮板的变形减小约13.79%。这表明在流固耦合过程中，流场压力对转子-刮板变形的影响相对较大。

3.6　流固耦合作用下模态与湿模态分析

流固耦合作用下模态与湿模态对比如图13所示，在不同负载压力下，各阶模态振动频率几乎相等，振动频率随着阶数的增加呈上升趋势。在湿模态情况下，由于介质的附加质量力和阻尼耗散等影响，湿模态振动频率略小于流固耦合作用下模态的振动频率。

当双作用式五叶刮板泵转速为1 500 r/min时，转子转速与激励频率f_n之间的关系为：

f n = ω Z 2 π = n Z 60

（1）

式中，n为转子转速，r/min；Z为转子叶数。

由式（1）计算得到转子激励频率为125 Hz，远低于转子-刮板的一阶固有频率，不会引起转子-刮板系统的低频共振。

4　结论

收起

（1）双作用式五叶刮板泵的流场计算模型能够较准确预测其性能，通过对该模型的求解，可以准确得到转子-刮板表面的压力载荷分布，为双作用式五叶刮板泵的内部流场研究提供依据。

（2）双作用式五叶刮板泵内的流场对转子-刮板的应力和变形具有显著影响。在流固耦合作用下，转子-刮板的最大von‑Mises应力和最大变形随着转速的增加而减小。当转子转速由900 r/min增加至2 700 r/min，负载压力为20 MPa时，转子-刮板的最大von‑Mises应力与变形分别减少了约24.56%和13.79%。表明转子-刮板受到的载荷主要来自于泵内流体压力。

（3）转子-刮板的基频为125 Hz，远低于转子-刮板的一阶固有频率，不会引发低频共振。在湿模态分析中，由于介质的附加质量力和阻尼耗散等影响因素，振动频率会发生相应的变化，但是变化幅度很小。

参考文献

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文献

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2025年第53卷第5期

102

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.009

接收时间：2024-10-14
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-05-30

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收稿日期：2024-10-14
修回日期：2025-01-25

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¹青岛大学，山东青岛 266071

²青特集团有限公司，山东青岛 266041

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

参数	数值
叶片数量	5
基圆半径/mm	26.5
正弦曲线幅值/mm	3.34
转子长度/mm	100
上下刮板长度/mm	13.47
上下刮板大头半径/mm	3.34
上下刮板中心距/mm	41
进口直径/mm	55
出口直径/mm	32
额定转速/（r⋅min^-1）	1 500
额定压力/MPa	20

参数

数值

叶片数量

基圆半径/mm

26.5

正弦曲线幅值/mm

3.34

转子长度/mm

100

上下刮板长度/mm

13.47

上下刮板大头半径/mm

3.34

上下刮板中心距/mm

进口直径/mm

出口直径/mm

额定转速/（r⋅min^-1）

1 500

额定压力/MPa

参数	数值
密度/（kg⋅m^-3）	865
黏度/（Pa⋅s）	0.109 9
表面张力/（N⋅m^-1）	0.3
饱和蒸汽压/Pa	400

参数

数值

密度/（kg⋅m^-3）

865

黏度/（Pa⋅s）

0.109 9

表面张力/（N⋅m^-1）

0.3

饱和蒸汽压/Pa

400

参数	数值
密度/（kg⋅m^-3）	7 899
弹性模量/GPa	210
泊松比	0.3
屈服强度/MPa	980
抗拉强度/MPa	835

参数

数值

密度/（kg⋅m^-3）

7 899

弹性模量/GPa

210

泊松比

0.3

屈服强度/MPa

980

抗拉强度/MPa

835

压力/MPa	计算流量误差/%	试验流量/（kg⋅s^-1）
5	20.75	5.53	2.55	3.77	3.96
10	24.11	9.17	2.42	2.59	3.73
15	26.42	10.42	3.80	3.14	3.31
20	28.36	13.92	6.17	6.73	3.20
25	42.66	17.41	13.66	8.44	3.07

压力/MPa

计算流量误差/%

试验流量/（kg⋅s^-1）

无啮合

最大黏度10μ_液压油

最大黏度40μ_液压油

最大黏度80μ_液压油

20.75

5.53

2.55

3.77

3.96

24.11

9.17

2.42

2.59

3.73

26.42

10.42

3.80

3.14

3.31

28.36

13.92

6.17

6.73

3.20

42.66

17.41

13.66

8.44

3.07