Background: In the peristaltic pumps, a significant gap can remain in the compressed working body, and therefore, unlike other positive-displacement hydraulic machines, volumetric losses may significantly affect the actual flow rate of the pump. The gap’s shape is determined by approximate dependencies or by numerical methods, but both of these approaches have their own drawbacks.
Objecive: Determination of the parameters of the gap in the compressed pump’s hose and calculation of fluid leaks in the pump using both theoretical dependencies and numerical methods.
Methods: The object of this study is a peristaltic pump that uses a hose compressed by two rollers. The theoretical flow rate was determined according to the existing theory of positive-displacement hydraulic machines, with the rotor velocity and the volume of the working chambers. It was assumed that the hose in the pump body has the shape of a torus, and the SolidWorks Simulation software product was used to determine the shape of the gap in the compression region and the amount by which the volume inside the hose decreases due to compression by the roller. The resulting geometry of the deformed hose was transferred to the STAR-CCM+ computational fluid dynamics software, where the velocity field in the gap and the dependence of the gap resistance coefficient on the Reynolds number were obtained. For the final determination of leaks in the gap, the Weisbach formula for local losses in the gap and the Darcy-Weisbach formula for friction losses along the length of the pump hose were used. The Darcy coefficient was calculated assuming that the flow in the pump hose is laminar.
Results: Comparison of the calculation results with the experimental dependencies showed that the proposed leaks calculation method in the pump can be used at laminar flow and rotation velocities of the pump rotor not less than 100 rpm.
Conclusions: The usage of theoretical dependencies and numerical methods to determine the gap’s parameters and to calculate leaks in the pump has shown its effectiveness, but for more accurate results, it is necessary to take into account additional factors, as the flow in the pump is non-stationary.
Введение. В насосах перистальтического действия в сжатом рабочем органе может оставаться существенный зазор, из-за чего, в отличие от других объёмных гидромашин, объёмные потери могут оказывать существенное влияние на реальную подачу насоса. Форму зазора определяют приближёнными зависимостями или численными методами, но оба этих подхода имеют свои недостатки.
Цель. Применяя как теоретические зависимости, так и численные методы, определить параметры зазора в сжатом шланге насоса и рассчитать утечки жидкости в насосе.
Материалы и методы. Объектом настоящего исследования является насос перистальтического действия, в котором используется шланг, сжимаемый двумя роликами. Теоретическая подача определялась по существующей теории объёмных гидромашин, через частоту вращения ротора и объём рабочих камер. При этом было принято, что в корпусе насоса шланг имеет форму тора, а для определения формы зазора в области сжатия и величины, на которую объём внутри шланга уменьшается из-за сжатия роликом, был использован программный продукт SolidWorks Simulation. Полученная геометрия деформированного шланга была перенесена в программу вычислительной гидродинамики STAR-CCM+, где были получены поле скоростей в зазоре и зависимость коэффициента сопротивления зазора от числа Рейнольдса. Для окончательного определения утечек в зазоре была использована формула Вейсбаха для местных потерь в зазоре и формула Дарси-Вейсбаха для потерь на трение по длине шланга насоса. Коэффициент Дарси рассчитывался с предположением, что режим течения в шланге насоса ламинарный.
Результаты. Сравнение результатов расчёта с экспериментальными зависимостями показало, что предлагаемый метод расчёта утечек в насосе может использоваться при ламинарном течении и частотах вращения ротора насоса не меньше 100 мин-1.
Заключение. Использование для определения параметров зазора и расчёта утечек в насосе одновременно теоретических зависимостей и численных методов показало свою эффективность, но для более точных расчётов необходимо учитывать дополнительные факторы, обусловленные тем, что течение в насосе нестационарное.