摘要
往复泵在船舶管系中应用广泛，因其具有较强的自吸能力，多用作舱底水泵和油船扫舱泵，因其结构复杂，维修困难，因此采取必要措施避免或减轻往复泵常见故障带来的危害是提高船舶航行经济性的重要手段。本文主要采用ANSYS Fluent仿真软件对含沙水流在往复泵缸内高速流动的过程进行模拟分析，总结流体运动规律，提出针对性的结构优化建议。通过本次课题研究，得到以下结论：
（1）在往复泵排出液体的过程中，缸内流体的压力显著增加，会导致往复泵内壁受到的压力提高，在选择材料的时候更应该注意其允许的强度和刚度范围。
（2）含沙颗粒流体在往复泵缸内高速流动过程中，会在通过吸入阀后一段距离，以及临近排出阀直角壁面处各形成一组漩涡，直接导致沙粒冲击避免的次数增加，更容易产生磨损。
（3）为避免沙粒高频次冲击往复泵缸，使得壁面出现损伤，可以将垂直壁面改为弧面衔接，延长往复泵的使用寿命。
关键词：往复泵；动网格技术；故障分析；结构优化
1概述
1.1研究背景及意义
近年来，经济发展迅速，船舶行业进入回春阶段，国际船舶市场竞争愈发激烈。为提高本国船舶竞争优势，许多国家开始关注提高船舶性能，降低造船成本。船舶管系是保证船舶推进装置正常工作、舰船生命力、安全航行以及船员和旅客的正常和工作的基础。因往复泵具有获得很高的排出压力的能力，并且泵的流量与压力没有关系，所以可以输送的介质十分广泛；损失较小，吸入能力只与管路特性有关，效率较高，泵的性能不受腔内压力的影响等优势，广泛用于船舶舱底水系统、压载水系统、消防系统和燃油系统[1-4]。
图1船用往复泵
往复泵是通过活塞或柱塞做往复运动周期性地改变泵缸内的工作容积，实现吸排液体的输送机械。活塞自左向右移动式，泵内形成负压，液体通过吸入阀进入泵缸内。活塞从右移动到左侧，缸内液体压力增大，液体从排出阀排出，活塞往返一次完成一个工作循环[5]。往复泵可能由于工作环境恶劣或使用不当产生故障。往复泵在舰船上使用广泛，但是船舶安装空间有限同时为降低造船成本，往复的泵配备数量较少，其工作可靠性就显得愈发重要。若输送液体中存在颗粒杂质长时间冲击往复泵缸内壁，则会导致泵缸内部结构的损坏，影响设备正常运行，甚至船舶的安全性。同时，往复泵具有结构复杂，维修量大的特点，优化泵缸部分结构、延长往复泵的工作寿命是研究的重要方向。含沙颗粒水流运动过程可使用固液两相流作为分析，设置边界条件后进行数值模拟分析。
许多专家学者通过设计实验，记录研究数据，以此得到含沙颗粒水流高速运动规律，但是此类实验周期长、工作量大，实验数据难以获取，不能快速准确得到流体运动规律。数据仿真模拟技术具有耗时短、成本低和应用于复杂系统中的优势，有效弥补实际试验的不足。当前CFD软件种类繁多且适用领域不同，针对本课题所研究的侧重点，对比分析后决定采用FLUENT流体模拟计算软件。FLUENT软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件之一，具有广泛的物理模型,以及能够快速准确的得到CFD分析结果。其使用流体流动、多相流、流固耦合、动网格等多种领域。同时，FLUENT软件拥有模拟流动，湍流，热传递和反应等广泛物理现象的能力，可模拟计算的实例种类较多。FLUENT中的交互式的求解器设置、求解和后处理能力可轻易暂停计算过程，利用集成的后处理检查结果，改变设置，并随后用简单的操作继续执行计算。
因此，本课题以FLUENT仿真软件为计算平台，对往复泵内含沙颗粒水流高速流动进行数值模拟，模拟吸排液体过程中泵缸内流场，获得离散相颗粒运动、壁面压力、颗粒轨迹、流体迹线、速度分布等规律，根据模拟结果，为泵缸内部结构优化提供理论指导，有利于降低维护保养成本，保障系统正常工作。
1.2国内外研究现状
国内外学者对往复泵内流体运动模拟分析的研究有大量实质性成果。童水光，王相兵，钟崴，张健等[6]采用Kane-Huston方法建立轴向柱塞式往复泵液耦合作用的多体力学模型，根据泵的流体特性及控制原理建立液压系统模型，进行仿真模拟，研究了泵口流量和压力脉动特性等。张慢来[7]应用CFD方法对往复泵吸入过程进行数值模拟，总结了往复泵的瞬时吸入流量、柱塞端面压力分布、吸入阀滞后现象等，为往复泵的水力特性、工作参数的优化及泵设计的改进研究提供了一种全新方法和参考依据。郑淑娟等[8]使用动网格技术，总结了锥阀在启闭过程中边界条件对阀芯所受液动力的影响，优化系统结构，提供了液力补偿的依据。韩祥，孙泽刚，杨莽等[9]通过FLUENT软件对某型柱塞泵进行仿真模拟研究，设计对比试验，分析出口流量变化和关键节点的节流槽区域流向，总结出脉冲情况与深度角θ、开度角α的关系，提出了优化参数，有效降低柱塞泵出口流量、压力的脉动。杜发荣等采用动网格技术和自编程profile模块对Fluent进行二次开发，实现了柱塞和阀球运动与流场的耦合求解。确定柱塞腔内部流场状态，柱塞运动过程中柱塞内部流场演化、阀球运动和流场特性[10]。
此外，分析往复泵缸内流体运动规律的主要原因之一是，往复泵输送的液体为含沙颗粒水流长时间时高速运动会磨损内壁的材料，提前预测含沙颗粒水流缸内材料磨损情况，为其结构优化提供数据支撑。为探究固液两相流水泵磨损规律，优化结构设计，国内外也有许多磨损试验和数值模拟研究。姚启鹏等[11]通过旋转喷射装置进行试验，得到了不同固体颗粒在相同入射角，颗粒直径等对材料磨损的程度，同时总结了具有参考价值的计算公式。相较于姚启鹏，Sato[12]则采用二元文丘里管，得到不同固相入射角、粒径和固液两相流流速对材料的磨损程度和磨损破坏的关系，Lit35粒径变化范围较大时对材料的磨损影响巨大。程则久[13]通过试验研究得出材料的磨损存在临界含沙量，含沙量较大时制约磨损，而含沙量较小时促进材料的磨损。
许光文，葛蔚等[14]通过分析颗粒流体两相流的流动特性，结合双介质模型和两项模型的模拟方法，完善颗粒两相流的流动特性理论认识，处于国内两相流体数值模拟研究的初期阶段。章城，徐圣永，吕兆聪等[15]应用N-S方法和标准k-ε湍流模型，对离心泵内三维固-液两相流进行模拟计算，最终得到蜗壳压力和固相体积浓度的分布规律都与蜗壳半径成正比的结论。王波，沈诗怡[16]采用物理模拟和数值模拟相结合的Euler体系模拟两相流动的模型，总结在冶金过程中两相流动传输行为数值和物理模型的应用及发展。杨思齐，樊建春，张来斌等[17]采用RANS方法获得压裂液在弯管中固-液两相流压力、速度和颗粒质量浓度分布等情况以及对弯管剪应力的影响，为优化压裂液的设计提供了参考。
综上所述，国内外学者对往复泵缸内液体运动规律进行广泛研究，也得出许多可供参考的实验数据、影响因素等理论成果，如粒径大小、入射角度、内部材料压力分布等与往复泵结构相关的因素都为后面的研究发展提供指导性意义。但是目前的研究仍然存在结论有局限性的问题，仅总结出某一个或几个因素与的某一方面的结果（如：材料强度、内壁损伤等）之间联系及影响程度，缺乏综合性总结规律。
因此，本课题将采用FLUENT软件模拟计算含沙颗粒水流在往复泵吸入阀和排出阀在启闭这一连续过程中的运动过程，给出综合性规律总结和基于不同方面的针对性结构优化建议。含沙颗粒水流可以建立多相流模型，同时基于动网格技术能呈现出连续变化的边界条件，适用于往复泵吸入阀和排除法开启和关闭这个连续过程，实现准确连续模拟现实工况的要求。
1.3本文研究工作
1.31研究内容
本文通过对船用往复泵缸内含沙颗粒流体高速流动的过程进行仿真模拟起，根据试验数据对比分析，得到其运动规律，并提出有效改善甚至避免故障的针对性建议。
前期，搜集大量与课题相关的文献资料，学习国内外学者们的研究方法和技术路线，决定采用ANSYS FLUENT软件仿真模拟泵缸内流体运动规律。
改变缸内流体流速、粒子参数（粒径大小、数目等）得到不同工况下的含沙颗粒流体高速流动规律，分析数据（离散相颗粒运动、壁面压力、颗粒轨迹、流体迹线、速度分布）进行对比后得出结论。
针对得出的结论及往复泵常见故障，提出有效改善甚至避免泵排液不足、振动明显、噪声大和泄漏等现象的有效建议，优化泵缸结构设计。
1.32技术路线
通过学习指导上相关案例熟练掌握建立模型技能；根据所学理论知识和搜集的文献资料完成泵缸的建模和仿真模拟实验，分析得到的离散相颗粒运动、壁面压力、颗粒轨迹、流体迹线、速度分布等实验数据，总结规律，提出针对性的优化建议。
仿真模拟计算流程如图1所示：
图2模拟流程图
1.4本章小结
本章通过查阅相关书籍和文献资料，总结了往复泵的基本结构、工作原理及常见故障。确定本文研究往复泵缸内流体运动过程，通过对流体进行数值模拟仿真的技术路线，将获得的数据进行对比分析，得出流体对往复泵工作的影响。
本文中往复泵输送的流体是含沙颗粒的水流，故采用两相流作为目标流动系统，研究固体粒子在不同参数下（速度、粒径、入射角度）对泵缸内壁损伤的影响，分析流体冲击可能导致的故障，根据结论提出针对性建议，有效改善甚至避免故障产生，对往复泵结构发展有一定指导性作用。
2往复泵常见故障及产生原因
2.1往复泵常见故障
往复泵在船舶领域使用十分广泛，因其具有较强的自吸能力，多应用于工作过程中易吸入气体的系统中，舱底水泵和油轮扫舱泵常采用往复泵。同时往复泵也具有体积大、造价高和检修难的特点，因此其正常工作是保证船舶各系统正常运作，甚至是船舶正常航行的基础之一。要有效减轻甚至避免故障带来的影响，首先要明确常见的故障，结合往复泵的结构、工作原理和自身特点，分析故障成因及影响因素。
1.往复泵的电机过载。电机带动活塞进行周期性的往复运动，通过改变工作容积吸入和挤压实现吸排液体。正常工况下，电机的功率满足往复泵的工作需要，若对工作室容积挤压程度大，压力过高，则需要功率值更大。当功率值大于额定功率，电动机此时处于过载状态。不支持长时间工作，保护装置将迫使电机停止转动，往复泵失去动力，曲柄和连杆无法带动活塞做往复运动，不能进行正常工作。
2.往复泵不能供液或流量不足。往复泵属于容积式泵，当电机带动活塞左右运动，活塞顶面扫过的体积等于往复泵输送液体的理论体积，同时往复泵具有理论流量取决于单位时间内工作容积的变化量的特点。但是在实际条件下，液体的泄漏和泵阀启闭的延时都会导致往复泵输送液体流量减小。从吸入方面和排出两方面分析产生这种故障的原因。
吸入方面的原因有吸入口露出水面，无法吸入液体，导致无法供液；吸入管路有漏气，吸入压力不足，吸入的液体中含有大量气体也会导致往复泵流量不足，不能满足泵送要求；泵阀损坏或搁起造成往复泵工作过程中流量的改变，若吸入阀不能正常开启或因损坏开度过小，使得进入泵缸的液体体积减少甚至不能供液，在液体排出的过程中，吸入阀不及时关闭，当活塞开始挤压液体导致液体从吸入阀排出，造成泵送液体的损失；泵阀、填料、活塞环处泄漏严重也会造成供液流量不足，在吸入的过程中，此时泵缸内是负压状态，液体泄漏情况可忽略不计，但是活塞挤压排出液体的过程中缸内压力增大，加重液体泄漏，降低输送效率。除上述不能建立真空的因素以外，真空度太大，超过允许吸上真空度也会造成往复泵不能供液或流量不足。如吸入滤器、管路堵塞会造成吸入的的液体减少，排出的液体也随之减少；吸高太大，；输送的液体温度太高，允许吸上真空度减少，此时出现汽蚀现象，
在排出方面可能是安全阀关闭不严或者安全阀开启，也是造成往复泵不能供液的原因。另外，大面积的泄露也会影响供液流量，产生这种现象的原因可能是往复泵泄漏，包含泵阀泄漏、填料泄漏、泵缸泄漏，发生此类故障会导致往复泵输送效率严重降低。在船舶系统中，往复泵因其较强的自吸能力，多用作舱底水泵和油船扫舱泵。若产生不能供液或流量不足的故障，导致舱底积水、腐蚀船体、浸湿货物、使机电设备浸水损坏，影响设备正常运转。在油船货舱中，需要扫舱系统排干洗舱原油和清扫舱内沉淀物，若做扫舱泵的往复泵无法排液或流量不足，则导致货舱内存在沉淀污染物或含有舱内原油杂质。
3.泵产生异常声音。往复泵由于本身结构、工作原理、维护管理方式等因素在其运作时会产生一定的噪声和振动。处于正常范围内的噪声震动无法避免，若超过该范围或声音明显不同于正常工作的声音，则可能产生结构故障，需要分析故障产生的原因，找出故障部位，及时维修或者更换。造成噪声和振动的故障的原因可能是机械本身或者参与流动的液体的因素。从机械故障产生的声音分析，往复泵的活塞往复运动会周期性的产生较大的惯性力，连杆或曲轴螺丝松动，可能会使活塞撞击泵缸壁面产生异常的噪声和振动。不仅损伤泵缸内壁，减少往复泵的使用寿命，同时也存在机械设备的隐患，影响其正常工作的可靠性。
从输送的液体角度分析，由于往复泵对泵送液体有较强的敏感性，若输送的液体中还有大直径的固体杂质冲击往复内壁也会造成泵缸内存在撞击声。
往复泵安全阀顶开。往复泵前设置安全阀的主要目的是使排出室与吸入室相通，能够有效避免排压过高损坏泵体、管路。安全阀被顶开或电机过载的原因可能是排出压力太高安全阀失灵、排出截止阀未开或排出管路堵塞、轴承、填料太紧或活塞因故咬死和泵缸中有异物。电机过载会导致线路故障，影响其他系统的正常运作，甚至影响到船舶航行
往复泵液体泄漏。因往复泵密封系统自身无法达到完全密封，会存在一定的泄露现象。若泄露严重，则会导致往复泵排出压力低、流量不足，泄漏的液体甚至会腐蚀设备，造成机械故障等后果。导致大量泄漏的原因可能是泵阀损坏、填料泄漏、活塞环损坏或缸套磨损等。
2.4本章小结
本章介绍了船用往复泵的结构、工作原理、工作特点、常见的故障及产生的原因，分析故障肌理，列举往复泵工作工程中可能出现的问题，从根源上解决隐患，需要借助Fluent软件模拟仿真往复泵内含沙颗粒水流高速流动的过程，获得离散相颗粒运动、壁面压力、颗粒轨迹、流体迹线、速度分布等规律，根据模拟结果找出最容易发生故障的部位，从根源减缓甚至避免往复泵不能供液、声音异常、振动异常和电机过载等问题。
3模型建立及网格划分
建立往复泵模型可划分为建立理论模型和简化模型的计算，首先明确含沙颗粒流体的流体模型，水流为连续相，沙粒的模型选定为离散相，根据含沙水流实际高速流动的情况的简要分析可知沙粒受到水流和其他沙粒的作用力。本次使用Workbench软件完成模型建立和网格划分工作，为后续的流体的计算奠定基础。
3.1理论模型
连续相：往复泵多应用于舱底水系统或油船扫舱泵，泵送的流体多含有杂质，其中的海水为连续
3.2往复泵模型建立
首先，在文献资料查找可知，往复泵在船舶管系中应用广泛，本文中我们取较有代表性的活塞泵简化模型对缸内流体运动进行仿真模拟分析。由于往复泵吸入液体和排出液体是一个动态的过程，工作过程伴随着泵阀的启闭以及活塞运动，为了细化各个环节的流体运动状态，我们其划分为两个过程，一个是打开吸入阀，活塞从下止点位置移动到上止点位置吸入液体的过程，另一个则是活塞反向运动挤压液体，液体从排出阀排出的过程。
启动Workbench 2020软件，在分析系统中拖动Fluid flow(fluent)到工作区域，双击Geometry进入space claim界面，绘制往复泵的主要部件，泵缸和泵阀。首先在XY平面进入草图开始绘制往复泵平面模型，接着点击sketching使用Line线段工具绘制往复泵的主要轮廓，在内部增加泵阀后退出草图，观察所建模型是否与其基本结构和工作原理相违背，由于此次模拟的易损坏部位是泵阀和泵缸内壁，我们建立两个加密面覆盖吸入阀和排出阀，如图所示。
往复泵简化平面模型
（2）完成图形结构的基本绘制后开始定义群组名称，首先选择对应的边设置相应名称，进口边定义名称inlet，出口名称outlet，泵缸移动的一面定义为moving，进出口处的泵阀分别定义其名称为lf-inlet和lf-outlet，以及活塞两侧的移动边定义其名称为moving-on和moving-out。群组定义的目的是稍后在网格划分过程中方便对应边进行运动参数设置。
（3）完成上述内容后，退出space claim界面，返回到Workbench 2020的项目操作界面上，将Fluid Flow(Fluent)和geometry拖动到预选的操作区域内,将项目A中的Geometry与项目B中的Geometry建立连接，即可实现数据共享，然后在删除连接关系，如图所示。其目的在于将绘制完成的往复泵平面简画图单独导入一个操作系统中，便于后续设置动网格和面平移的中心位置确定工作，并且进行操作也不会影响到另一个Fluid Flow(Fluent)中geometry内几何图形。
3.3网格划分
（1）下面开始进行网格划分板块的操作。双击Workbench 2020项目操作界面里的Mesh的选项，进入操作界面，模型和分组信息自动导入到Mesh。右键单击连接创建自动连接指令，形成一个往复泵几何体与加密区域的自动连接关系。
（2）单击网格选项，设置其基本参数，显示风格选则使用几何结构设置，在默认值的物理偏好选项选择Fluent流体，单元的阶选项选择线性模型。基本单元尺寸经过多次调整，观察最合适的大小设置为2.0mm。设置完基本参数之后插入具体方法。右键单击网格，选择插入一个方法，选定区域为整个往复泵几何体，由于泵阀距离壁面很近，并且通过试验对比可知四边形网格加载效果不及三角形网格精度高，故在此处选择网格形状为三角形。
（3）完成上述操作后，开始设置加密区域的参数，右键Mesh网格选项，插入一个尺寸调整，选择限定方法为集合结构选，几何结构的范围选择往复泵几何体，类型处选择之前绘制的两个加密平面，单元尺寸大小设置为0.8mm。加密的意义在于更好捕捉加密区域的云图，能够更加清晰的反映此处的运动规律，有针对性的获得更加准确的结论。
准备工作完成后，就开始生成网格，在生成网格的过程中若出现红色字体的警告，无法继续运算，则需要根据提示内容修正错误，完成后续网格生成运算。生成网格的时间应控制在合理范围内，时长太短则说明网格划分不够精确，网格分布稀疏，难以获取精确的流体运动分布规律。反之，若网格的基本单元尺寸设置参数过小，网格密集，虽能更加详细反映流体运动结果，但是其运算过程需要计算机的高性能配置，才有可能实现完整运算，一般的PC端难以满足上述要求，因此需要衡量这一细化标准。
4 Fluent软件参数设置
4.1设置基本参数
首先，需要启动Fluent软件。双击Workbench 2020软件，在分析系统中拖动Fluid flow(fluent)到工作区域，将之前保存的几何图形及网格划分的数据导入，直至前面两个选项都有绿色的对勾，即绘制完成，双击set up进入Fluent操作面板，开始求解器设置。首先需要完成准备工作，找到scale中将单位从m改成mm，检查网格，在时间类型中将稳态改为瞬时，本课题研究的流体随时间的变化，其状态发生改变。为了使模拟情况更加贴合实际，还需添加沿Y轴负方向的重力作用，大小为9.81m/s2。完成上述操作后，添加其他参数、设置边界条件，进行模拟计算。
4.2选择计算模型
在项目树中找到并单击Models，单击Viscous，选择标准湍流模型Standard k-εModel，设置过程如图所示。k-ε模型使用了壁函数，因不模拟缓冲区域的流体运动，对计算机的内存要求较低且收敛速率较快，是模拟含沙颗粒水流在往复泵缸内高速流动的合适的选择。
4.3离散项设置
湍流模型选择完成后，找到离散相模型（Discrete Phase），勾选与连续相交互（Interaction with Continuous Phase）的选项，用于连续流体和离散相颗粒的双向耦合计算，设置求解离散相最大步数为5000，砂粒轨迹的计算频率5，连续相5次迭代计算之后，进行1次迭代计算离散相，在计算过程中更新后的离散相的热量、质量和动量方程叠加到下一步的连续相方程，将舱底水和砂粒的运动控制方程进行交替耦合求解，直到计算结果收敛，实现舱底水与沙粒间的双向耦合计算，操作界面如图所示。点击Physical Models，勾选Erosion/Accretion选项，激活冲蚀模型，操作界面如图3-6所示。
点击注入（Injections）选项，设置离散相颗粒的入射面及颗粒属性。选择创建（Create）按钮，创建一个新的入射源，入射类型选择surface，在材料中选择Wood，设置砂粒的入射方向为X轴，入口速度为0.5m/s，砂粒粒径大小定义为0.1mm，定义质量流量为0.0005kg/s。选择Turbulent Dispersion选项，勾选Discrete Random Walk Model，设置Number of Tries为10，操作界面如图所示。完成离散相属性设置后开启冲蚀模型，在计算的同时监测含沙水流对泵缸内壁的冲击情况。
4.4设置材料类型
在信息树中找到Materials，展开该选项分别对流体（Fluid）和离散相颗粒（Inert Particle）的材料进行选择，更改相应的参数。创建一个新的流体材料设置界面如图所示。在Fluent的材料库中找到液态水（water-liquid）点击copy即可生成一个液态水的连续相，由于往复泵泵送的液体为含沙颗粒的舱底水，需要更改流体的密度为900kg/m3，粘度设置为0.001300kg/m-s。
完成连续相的材料设置后，点击进入离散相的材料设置界面中，将其名称改为grit，在Fluent Inert Particle Material选框中选择材料为wood，将离散相的密度大小定义为1500kg/m3。点击Change/Creat保存设置。
在信息树中找到Cell Zone Conditions，展开后单击Fluid选项，进入界面后更改Material Name为water-liquid，点击Apply完成流体材料的定义。
流体设置界面
4.5设置边界条件
由于将往复泵的一个工作循环分成吸水和排水环节，因此分别设置两个工作过程的边界条件。吸入阀开启活塞向远离起始位置运动，缸内容积增大，产生负压，使得外部液体被大气压压入泵缸内。此时活塞顶面使运动边界，与顶面相邻的两条边随东面的运动产生变形，在信息树中找到Boundary Conditions选项定义压力入口（pressure-inlet），如图所示，其他边界类型设置为wall，如图所示。在排出过程中，定义出口为压力出口（pressure-outlet），其余的变定义为墙（wall）。
4.6动网格参数设置
本课题研究的重难点就在于动网格参数设置及成功使用动网格技术模拟往复泵泵缸内高速流体的运动规律。在试验的过程中会遇到许多技术问题，听过学习网络案例，查阅相关书籍，不断调整参数，以达到成功完成模拟计算的目的。
首先，在信息树中找到动网格（Dynamic Mesh），双击该选项，进入动网格参数调整界面，如图所示。接着，在动网格框选上打勾，然后进行下面的网格方法筛选，选择光顺（smoothing）和网格重构（Remeshing），点击settings，进入网格方法设置面板，在光滑界面中选择勾选弹簧因数Spring/Laplace/Boundary Layer，单击进入按钮，修改Spring Constant Factor数值为0.7，其含义为部件在运动的过程中对区域网格影响的范围大小。选择重构界面，首先预览最大长度尺寸和最小网格尺寸大小，根据显示的数值大小更改尺寸，修改后的最大尺寸应小于给定尺寸，修改后的最小尺寸应该大于原定的最小尺寸。完成修改后，点击OK保存数据。
然后，在选择选项卡中勾选活塞运动（In-Cylinder）,在settings中更改做活塞运动有关的各项参数如曲柄转角、起始角度、曲柄周期、曲柄步长、曲柄半径、连杆长度、活塞销偏移量、活塞行程截至以及最小气门升程的数值，描述活塞运动的特征。
完成设置动网格的参数后，开始定义动网格区域面。首先定义移动部件活塞顶面的，区域名称为move，选择顶面类型为刚体（Rigid Body），在Motion Attributes页面中选择Motion UDF/Profile文件中选择piston-full函数，在活塞对称轴上设置对应的坐标，系统会自动计算并显示活塞行程。活塞的顶面移动会影响与之相邻的两条边，使其发生形变，在区域名称定义两条边的名称为df-1和df-2，选择类型为变形（deforming）。
4.7初始化与计算求解
在信息树中找到初始化（Initialization）选项，在初始化方法（Initialization Methods）里面选择标准初始化（Standard Initialization），在计算区域中选择全部区域（all zones），参考系（Reference Frame）选项中，点选相对于单元格区域（Relative to Cell Zone），表压力、速度选项都保持默认，湍流动能设置为0.001m2/s2，湍流耗散率设置为1m2/s3。点击初始化选项，观察文本信息区中的内容，初始化结束后，可以开始设置计算参数，进入运行计算面板，类型和方法都选则默认，即Fixed和User-Specificed，迭代步数选择360，由于活塞做往复运动，其周期是360°，选择迭代步数为360步，能有效反应一个周期内泵缸内液体的运动情况。剩余参数时间步长选择默认值，0.0005s，最大迭代数目设置为20，报告间隔默认为1，离散分布数据更新间隔默认为1。完成上述操作后，检查案例，就可以开始计算了，在计算的过程中会显示残差图的变化趋势，同时也应该关注信息区的内容，若计算暂停，信息区会提示警告或错误，我们可以根据提示内容进行修改，恢复计算。
5结果后处理
经过迭代运算后，设置后处理参数，可查看不同截面的速度、压力、迹线图或矢量图报告，使用彩色绘制能直观表现在某一时刻某一平面的运动状态，增加多个时刻，配合动网格技术，就能推出往复泵工作过程中，流体的运动规律，作为往复泵结构优化的支撑依据。
5.1计算报告
在workbench软件中完成前处理工作后，若前面步骤正确无误，在信息区内无警告或错误，后经初始化后计算，设置必要的监视器，可能在计算的过程中辅助用户观察计算情况以及了解运算过程。质量流量为0.0045kg/s，颗粒直径为0.045mm，计算的残差图如图所示。经过几何模型的反复修改，运算可以得到收敛性较好的几何模型和网格划分的尺寸单元。
往复泵在吸入和排出过程中的速度分布如图所示，可以看出，在不同时刻，随着活塞运动推进，吸入口一侧的液体速度明显提高。活塞在开始上行前期，逐渐形成了一组相反漩涡，行驶至一半路程时，漩涡范围开始扩大，运动快结束时，由两个漩涡扩散，形成了四个大小不均的漩涡区域。在排出液体的过程中，通过活塞下行，挤压液体，压力增大，液体从排出阀排出。活塞移动前期，速度分布普遍均匀，数值较小。到达中心位置时开始产生两个漩涡，排出口的速度分布增加迅速。
不同时刻下的速度分布图
排出挤压液体过程的速度分布
从上面的分析截图可以看出，往复泵缸内流体的流速普遍稳定，动能与压力能间相互转化，只有在靠近中心点位置，流速会产生较大的变化，并伴随着漩涡的产生，漩涡从两个区域，逐渐扩大生成四个水流漩涡，此时，缸内流体的稳定性最差。
另外，截取了往复泵在工作过程中的压力分布变化情况，可以看出当吸入阀和排出阀在启闭的过程中都会受到较大的压力，使用时间变长后，可能会导致阀体的变形和损坏，无法满足往复泵工作时对泵阀在时间范围内启闭、与阀座间隙在允许范围内等要求，减少设备的使用寿命。以及处在产生漩涡区域内的壁面受到的压力变化较大，是变形和损坏的重点部位，应该注意这些面的定期检查。
6动网格技术模块拓展
动网格技术主要应用于模拟流场形状随时间变化而改变的动态网格划分问题。该技术的跟本目的是应对边界运动导致相邻边变形的现象，即边界运动后某时刻的网格形状相较于初始状态已经发生较大的变形，不再适用于后续的运动状态，导致模拟结果不准确。划分网格是数值模拟的关键步骤，因此在运动的每一时刻有与形变相适应的网格划分对仿真模拟过程的结论准确性有重要意义。
此次研究中，船用往复泵在正常运作的过程中使用到了动网格技术来描述活塞（或柱塞）做往复运动时泵缸内液体流动情况。活塞顶部的边界运动，致使活塞体壁面边界变形，完成往复泵主要部件的二维建模后，划分网格，添加动网格设置后可以得到模拟的云图和动画，直观反映泵缸内含沙颗粒流体高速流动规律。但是在进行动网格参数设置会遇到边界运动函数设置的问题，若设置的参数或方程与几何体的尺寸不匹配会产生计算时间过长或负体积，导致计算错误，试验耗时耗力，最终结论不具代表性。
在进行大量的阅读相关文献、学习经典案例和试验求解后总结了针对本课题的动网格运动边界函数设置的方法，简析各方法的优点和弊端，为相关流体数值模拟提供可参考建议。
1.设置活塞运动函数
往复泵活塞通过曲柄、连杆带动活塞做往复运动实现吸入和排出液体，活塞从最左侧移动到最右侧返回初始位置，完成一次工作循环，活塞行程与曲柄、连杆长度与描述活塞行程长度相关。其工作原理如图所示。
在Fluent软件中找到动网格（Dynamic Mesh）面板激活活塞运动（In-Cylinder），进入选择页面后根据运动特征更改曲柄转角、起始角度、曲柄周期、曲柄步长、曲柄半径、连杆长度、活塞销偏移量、活塞行程截至以及最下气门升程的参数，来定义边界运动过程。
直接定义活塞运动函数达到控制边界运动的方法，最为显著的优点使可操作性强，只要有活塞运动的相关参数，可直接输入已知参数，完成提前指定运动
2.使用Fluent编译导入的UDF文件
UDF函数的全称是用户自定义函数（User-defined functions），可使用C语言、Java或Python语言来编写宏，经过Fluent软件编译后就可以转变为控制边界运动的可读代码。自定义函数在各类仿真模拟软件中应用广泛，在Fluent软件中的UDF有语言逻辑简单和代码简洁的优点，UDF文件需要操作用户了解基本的格式和代码的结构，就基本能实现自主编写代码，实现运动边界的控制。
在本课题研究过程中，使用到了自主编写的控制刚体运动UDF的文件，文件内容如图所示，其主要含义是（名称，时间步长，刚体平移速度，刚体运动的角速度，计算时的瞬态时刻，时间步长），这部分内容是软件可自动读入的，然后进行初始化，调用求和的运算函数，将刚体的速度和旋转角速度设置为0。速度函数的设置中需要注意刚体同运动方向的轴，若是X轴vel[]内应添加数字0，同理Y轴和Z轴分别对应1和2。比较简单不易出错的方法，可以现根据刚体运动的方向、距离等特征先写出位移函数，在进行函数的求导后可获得刚体的速度函数。
控制活塞顶边运动的UDF文件
完成UDF文件后，首先使用Fluent软件对该文件进行编译，编译操作页面如图所示，编译完成，读取成功后在对应刚体运动设置面板中选择导入的运动函数，在计算过程中，此刚体将做沿着函数指定的运动轨迹执行移动的命令。
UDF文件编译过程
与上述同理，若想使进口流体的速度呈正弦曲线变化，也可以使用自定义函数，具体操作是需要找到能够修改边界条件的宏Define_profile（name，t，i），在定义的函数中修改速度参数即可完成操作。在一定情况下，也会出现Fluent软件无法找到UDF文件或者编译错误无法读取的错误，经过查阅相关书籍和总结论坛观点，产生上述情况的原因可能是UDF文件环境配置不正确，Fluent软件编译时找不到对应文件的路径，也不能完成正常编译和读写。
综上所述，在编写UDF文件时要注意语法、逻辑符合规范，将UDF文件导入Fluent要注意使用编译型的文件，因为它具有通用性强、运算时间短等优点，相较于解释型UDF文件它需要配置正确的环境变量。
3.直接导入瞬态prof文件
编写prof文件相较于上述第二种方法更为简单快捷，无需使用Fluent软件对文件进行编译，因此没有无法正常编译的顾虑。本课题中使用文本文件编写活塞顶面的运动函数，如图所示，文件表述的内容是（自定义的文件名，瞬态，变量拥有的数据个数，时间周期），定义了横坐标的5个点，对应的纵坐标，生成控制运动的点。
将文本文件保存后使用Fluent软件读取文件，在这个过程中要注意选择导入文件的类型为“全部”文件，然后在动网格参数面板中设置边界运动的函数选项中会自动生成一个目标函数，添加选项后，可实现随时间的变化做Y轴方向的往复运动。
若进行计算的电脑中未安装VC++UDF Studio，可直接新建文本文档来定义边界运动的函数，更加方便快捷，且不需要Fluent软件进行编译或解释，一定程度上规避读入失败无法完成预期函数运动的风险。经过多次试验总结，在使用prof瞬时文件控制部件运动，应注意prof文件中所有的物理量均需要使用国际单位制，即使在Fluent软件设置了其他单位，但是prof瞬时文件导入后不会进行单位转换。还有关于场变量名称一定要选择时间（time）若配合Fluent软件中的In-Cylinder方法，可以编写关于角度的运动函数。在自定义文件名时应注意全部采用英文的小写格式来命名，不能添加其他的标点符号甚至是空格。否则，会导致文件导入后无法读取或读取错误的情况。
7.结论与针对性建议
本文使用Ansys Fluent软件仿真模拟含沙颗粒水流在往复泵的运动过程，流经固体砂粒在泵缸内会冲击避免，产生磨损，长此以往，往复泵工作的可靠性会受到影响，进而为船舶管系埋下安全的隐患，不利于船舶定性的航行。本课题中使用流体液体和含沙颗粒双向耦合的计算模型，研究了高速流体流过往复泵缸，缸内的磨损情况，题主针对性的结构优化建议。
结论：
（1）无论是往复泵吸入或者排出的过程中，含沙水流在经过泵阀时的流速显著增加，沙粒对泵阀的冲击影响严重，泵阀是往复泵的易损部件。
（2）往复泵排出液体的过程中，活塞移动，缸内容积变小，压缩含沙颗粒水流流体，此时，缸内压力较大，对壁面的压力增大。
（3）水流进入往复泵泵缸，因壁面成长方形形状，水流进入后流向遇到内壁的阻隔在经过吸入发后和最右侧转角处个产生一组漩涡。
（4）固态颗粒直径的大小不同，其运动轨迹在遇到直角壁面时的轨迹也不相同，只有当颗粒直径小于0.045mm时，对内壁的冲击面较少，冲击力较小，因此在往复泵前可以假装一个允许0.045mm颗粒直径的微粒通过能有效减缓壁面损伤。
建议：
（1）泵阀是往复泵工作过程中的易损部件，可以采取使用强度较高的镀层，减缓沙粒对其表面的磨损，投入使用后要对泵阀定期检查维护保养。
（2）在往复泵进入压缩排出液体过程中，压力增加明显，应注意壁面压力和排出阀弹簧刚度，缸内壁面采用不易产生形变和裂纹的材料，弹簧刚度应注意选择较大数值的型号。
（3）含沙水流在往复泵缸内产生漩涡，造成内部水流扰度，漩涡的形成会增加含沙颗粒水流与缸体壁面碰撞的次数，加快壁面磨损进程，因此要改变漩涡处结构，将边角处改为圆滑的弧线，尽量减少内部产生漩涡或回流。
（4）由于往复泵泵缸内壁在沙粒的冲击下会产生坑洞，但是船用往复泵工作的环境本身潮湿复杂，为避免内壁产生损伤后因腐蚀加快泵体的损坏的恶性发展，可采取在内壁表面镀上金属层，如铜和镍，能有效提高其抗腐蚀性和耐磨性，一定程度上延长了船用往复泵的使用寿命。
致谢
又是一年蝉鸣盛夏，四年的大学生活即将进入尾声，青春剧场暂时告一段落。2019年伴着希望和憧憬进入大学校园，入学的旅途和大学生活的点滴历历在目，耳畔萦绕着“明德行远，交通天下”的校训。大学的求学旅程始于憧憬，盛于激情，终于期望，懵懂的进入大学，为升学目标持续努力，不断奋斗，熬过若干个不眠之夜后，迎来了短期目标的实现，以后的日子我也将怀揣希望，砥砺前行。
离别在即，回忆过往，思绪万千，感激之情油然而生。首先要感谢我的母校，为我提供良好的学习环境和优质师资力量，让我在四年的学习路上畅通无阻，有为我解疑答惑的老师，在校期间攻读轮机工程专业，为我以后继续深造船舶领域埋下种子。学校会鼓励我们参加各种学科竞赛和宣传讲座，拓宽我们的视野和知识面，为我们这些家庭经济困难的学生设置助学金和奖学金，在获得资助的同时激励我们多方面提升自己。
其次要感谢我的父母，他们不辞辛劳为我创建舒适的避风港，即使我距离家千里之遥，仍然做我最坚实的后盾，父爱如山，沉默但伟大，独自支撑起我自由翱翔的一片天；母爱如水，涓流不息，她总是用爱浸润我生活的每一处缝隙，给我信心和鼓励。
我还要特别感谢印洪浩老师，他为人幽默宽厚、办事严谨、不仅在专业课程上给予我悉心的指导，更是我参加各项学科竞赛的领路人。他总是为我们孜孜不倦的提供帮助，耐心解答代替苛责，充分发挥学生独立思考、自主解决问题的能力。
此外还要感谢我的室友、我的竞赛队友以及大学里的知心朋友，是你们的关怀和陪伴，激励着我不断进步，在自己身上寻找出更多的可能性。我十分庆幸在大学期间收获到难能可贵的友谊，它将是我一生最珍贵的财富。
最后，要感谢本文评阅的各位专家、老师在百忙之中抽出时间为我的本科论文提供宝贵的建议，我也会在今后的学习中继续努力，不断前行。
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