An automated CFD workflow for mating gears design optimization

Geared systems interacting with a working fluid are critical components across several industries, from aerospace to petrochemicals, with external gear pumps representing a prominent example. While traditional numerical investigations have historically relied on analytical formulations or lumped-parameter models for their computational efficiency, these approaches often fail to capture the three-dimensional coupling of complex physical mechanisms. In contrast, Computational Fluid Dynamics (CFD) provides a robust framework to investigate localized phenomena such as internal leakage, cavitation, and aeration, which become increasingly relevant as designs evolve toward higher compactness and rotational speeds. This work presents a fully automated CFD workflow specifically developed to address the challenges posed by the continuous deformation of the internal geometry. To manage the dynamic domain, a hybrid strategy combining mesh morphing and mesh replacement is adopted, prioritizing simulation accuracy while maintaining a balanced computational cost, and overcoming the limitations of simpler approaches such as the Multiple Reference Frame and non-conservative overlapping grid techniques. The developed routine automates gear geometry generation from design parameters and employs the snappyHexMesh utility to produce surface-conforming grids. Topology changes are handled through the meshToMesh utility, enabling parallel field remapping and the cyclic reuse of mesh sequences, significantly reducing pre-processing efforts. The methodology is validated through comparison between the computed resistant torque and experimental measurements, showing excellent agreement and accurately reproducing key physical phenomena, including backflow and centrifugal pressure effects. Finally, to better replicate real operating conditions and demonstrate the flexibility of the proposed framework, the workflow is extended to multi-phase simulations using a Volume of Fluid approach implementing Hirt’s sub-grid aeration model.

I sistemi a ingranaggi che interagiscono con un fluido di lavoro sono componenti essenziali in numerosi settori industriali, dall’aerospaziale al petrolchimico, con le pompe a ingranaggi esterni che ne rappresentano un esempio emblematico. Le tradizionali simulazioni numeriche hanno storicamente fatto affidamento su formulazioni analitiche o modelli a parametri concentrati per la loro efficienza computazionale; tuttavia, tali approcci spesso non riescono a catturare l’accoppiamento tridimensionale di complessi meccanismi fisici. Al contrario, la Fluidodinamica Computazionale (CFD) fornisce un contesto robusto per l’analisi di fenomeni localizzati quali le perdite interne, la cavitazione e l’aerazione, che diventano sempre più rilevanti man mano che i sistemi evolvono verso una maggiore compattezza e velocità di rotazione più elevate. Questo lavoro presenta una procedura CFD completamente automatizzata, sviluppata specificamente per affrontare le sfide poste dalla deformazione continua della geometria interna. Per gestire il dominio dinamico, viene adottata una strategia ibrida che combina il movimento della mesh e la sostituzione della mesh, privilegiando l’accuratezza della simulazione pur mantenendo un costo computazionale equilibrato, e superando le limitazioni di approcci più semplici come il Multiple Reference Frame e le tecniche di overlapping grids non conservative. La procedura sviluppata, automatizza la generazione della geometria degli ingranaggi a partire dai parametri di progetto e impiega l’applicazione snappyHexMesh per produrre griglie conformi alle superfici. Le variazioni topologiche vengono gestite tramite meshToMesh, che consente di mappare i campi in parallelo ed il riutilizzo ciclico di sequenze di griglie, riducendo significativamente gli sforzi di pre-processing. La metodologia è validata mediante il confronto tra la coppia resistente calcolata numericamente e le misure sperimentali, mostrando un eccellente accordo e riproducendo accuratamente i principali fenomeni fisici, inclusi il riflusso e l’andamento della pressione con la forza centrifuga. Infine, per rappresentare in modo più realistico le condizioni operative e dimostrare la flessibilità del metodo proposto, la procedura è stata estesa a simulazioni multifase mediante un approccio Volume of Fluid che implementa il modello di aerazione di Hirt.