La simulazione delle
pompe oleodinamiche
Massimo Rundo
Politecnico di Torino – Dipartimento Energia
Fluid Power Research Laboratory
Chi siamo
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Politecnico di Torino
 Dipartimento Energia
 Macchine a fluido
 Laboratorio di Oleodinamica
Didattica
- 1° corso di Oleodinamica
in Italia (1979)
- Dal 2013, 2 corsi in inglese
alla laurea magistrale
- Più di 100 tesi di laurea
Ricerca
-
Circa 100 pubblicazioni scientifiche
Sviluppo di modelli di simulazione di pompe oleodinamiche
Scopo della simulazione
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Prevedere a calcolatore le prestazioni del componente
•
In fase di sviluppo, riduzione del numero di prototipi e di prove sperimentali
•
Ottimizzazione del comportamento (incremento rendimento)
•
Risoluzione di eventuali anomalie riscontrate
Pistoni
Palette
Camere a volume variabile
Ingranaggi
Modelli di simulazione
A PARAMETRI CONCENTRATI
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Le grandezze fisiche
in ogni volume sono
uniformi
parametrica
con geometria:
CAD
Co-simulazione, simulazione accoppiata
A PARAMETRI DISTRIBUITI (CFD)
Modello a parametri concentrati
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Identificazione dei volumi di controllo
(ad es. uno per ogni camera a volume variabile)
camere
variabili
Sezioni di
efflusso
N camere
variabili
J+1
Pompa gerotor
Sezioni di
efflusso
Circuito
idraulico
equivalente
J
Necessità di
valutare le
grandezze
geometriche
Volume di
mandata
Volume di
aspirazione
Fughe
interne
drenaggio
Determinazione delle grandezze geometriche
Profilo della
distribuzione
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Luce di mandata
Profilo camera
Sezioni di
passaggio
Luce di aspirazione
Note le equazioni di profili e
distribuzione si possono ottenere
delle relazioni analitiche
•
•
•
In
Volume della camera …
… e sua derivata angolare
Sezioni di passaggio
funzione dell’angolo alfa
Modello parametrico o CAD ?
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Vantaggi del metodo analitico:
• Soluzione esatta  massima accuratezza
• Adatto per studi di sensibilità ai parametri geometrici
Svantaggi / limitazioni:
• Elevato tempo di sviluppo del modello
• Valido solo per geometrie predeterminate, poco adatto per:
Geometrie complesse della
piastra di distribuzione
Profili dei rotori non convenzionali
Metodo CAD
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Si parte dal modello CAD 3D della macchina da simulare
1. Manuale: per ogni posizione dell’albero impostata a mano si
misurano le grandezze di interesse
2. Automatico: una procedura esegue l’operazione autonomamente
per un ciclo completo della camera, generando un file
Estrazione
delle
grandezze
geometriche
dalla camera
Esempio di modello – ambiente Amesim
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Parametri
Linea di mandata
Linea di
aspirazione
Carico
fughe
La pompa viene costruita assemblando componenti elementari a cui sono
associati dei codici in linguaggio C che descrivono il modello matematico
Alcuni esempi di risultati validati (1)
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Pompa a palette a cilindrata variabile
Caratteristica portata-pressione
Cilindrata massima
curva
simulata
valori
sperimentali
Intervento del
limitatore
di pressione
Tempi di calcolo: minuti
Alcuni esempi di risultati validati (2)
Pompa ad ingranaggi a lunetta
Oscillazione di pressione alla mandata
Tempi di calcolo: minuti
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Necessità della cosimulazione
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Esempio:
Si vuole determinare la
conseguenza del distacco
delle palette dallo statore
Problema:
Interazione tra tutte le palette
e l’anello flottante
Soluzione:
Cosimulazione tra un software
multibody (calcolo contatti 3D)
e uno fluidodinamico
Anello flottante
Struttura della cosimulazione
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Ogni software risolve il proprio sistema di equazioni
Solutore software
fluidodinamico
(master)
Interfaccia grafica
Forze sulle
palette
a intervalli fissi
si scambiano le
variabili
Solutore software
multibody
(slave)
Posizione delle
palette e degli anelli
Nella simulazione accoppiata il software master
risolve anche le equazioni dello slave
Tempi di calcolo: ore
Simulazione CFD – ambiente PumpLinx
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Il volume di fluido viene discretizzato in
una moltitudine di celle elementari (mesh)
Mesh con circa
600 000 celle
P
Ad ogni cella si
applicano
le equazioni
T
Porzione
serbatoio
Dettaglio camera
Campo di pressione – cavitazione
Volume di vapore
Pressione
P
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T
picco di pressione
Colore blu = liquido
Curva di riempimento
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Stima della velocità limite per cui si
ha completo riempimento delle camere
Senza diaframmi
Con diaframmi
Curve continue: sperimentali
Tempi di calcolo: giorni
Conclusioni
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Modellazione a parametri concentrati:
• Adatta per la maggior parte delle analisi
 richiede una taratura su prove sperimentali
o in alternativa su un modello CFD
Cosimulazione:
• Nel caso in cui è l’interazione tra fluidodinamica e meccanica
non è trascurabile
• … altrimenti è conveniente eseguire simulazioni indipendenti
CFD:
• Indispensabile per studiare alcuni fenomeni
(incompleto riempimento delle camere, cavitazione)
 poco adatto a studio parametrico (tempi calcolo molto elevati)
Fluid Power Research Laboratory
www.fprl.polito.it