【技術(shù)帖】PumpLinx軟件簡介及其在船舶行業(yè)CFD仿真中的應(yīng)用

2016-09-13  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

PumpLinx  軟件簡介及其在船舶行業(yè) CFD 仿真中的應(yīng)用1. 船舶行業(yè)流體分析關(guān)注點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)  隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 通過仿真方法虛擬再現(xiàn)設(shè)備的工作狀態(tài)已成為各研究單位的主要研究手段。數(shù)值仿真可以預(yù)測設(shè)備正常工作時的各個指標(biāo)參數(shù),研究設(shè)備尺寸參數(shù)對性能的影響,亦可分析設(shè)備故障狀態(tài)下的指標(biāo)變化情況,對故障排除具有較大的指導(dǎo)意義。具體到船舶行業(yè)的流體分析,主要關(guān)注點(diǎn)總結(jié)如下:? 船用泵閥部件的分析,包括各種油泵、液壓泵、高壓閥門、舵機(jī)部件等的流量、壓力、速度特性分析,流量-壓力等性能曲線分析,閥門動態(tài)特性分析, 高壓噴射分析, 空化效應(yīng)分析以及流體與其他學(xué)科的聯(lián)合分析;? 船用水下航行體部件分析,如螺旋槳/噴水推進(jìn)器動力特性、空化性能分析, 水下航行體空泡/超空泡分析及與其他學(xué)科的聯(lián)合分析, 如流噪分析;? 船舶相關(guān)流體系統(tǒng)分析,如系統(tǒng)空化、水錘分析,系統(tǒng)壓力脈動分析,匹配性分析,系統(tǒng)內(nèi)詳細(xì)的流場現(xiàn)象解析等;? 船體設(shè)計分析,如船體速度分析,船體阻力分析,船體下沉和搖擺分析。  對于傳統(tǒng)的 CFD 軟件來說,進(jìn)行船舶行業(yè)流體分析時,在網(wǎng)格建模、動網(wǎng)格描述、多相流分析及求解速度及精度上都有一定的局限性。在網(wǎng)格建模方面,船用流體機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且網(wǎng)格質(zhì)量要求較高,部分機(jī)械網(wǎng)格尺度差異懸殊,因此, 對于船體或船用發(fā)動機(jī)部件的網(wǎng)格的加密控制,網(wǎng)格質(zhì)量及數(shù)量的控制非常重要。對于傳統(tǒng) CFD 軟件而言,前處理工作不僅困難,并帶來巨大的工作量;動網(wǎng)格描述方面,螺旋槳、泵推、泵閥、船體運(yùn)動等都需要用動網(wǎng)格描述,閥門的運(yùn)動也需要用動網(wǎng)格描述,且必須考慮動力學(xué)關(guān)系,即船用機(jī)械分析涉及到多個自由度分析和網(wǎng)格運(yùn)動,一般而言需要進(jìn)行二次開發(fā),難度較大;多相流分析方面,傳統(tǒng) CFD 軟件對泵及螺旋槳的空化分析,水下物體的超空泡分析,以及船體自由液面的分析存在技術(shù)上的不準(zhǔn)確性;在求解速度及精度方面,船舶流體分析要求求解器具有一定規(guī)模的系統(tǒng)級分析能力,能準(zhǔn)確描述多部件耦合的影響,傳統(tǒng)的 CFD 軟件難以勝任。  針對上述技術(shù)難點(diǎn),美國 Simerics 研發(fā)的 PumpLinx 軟件可以較好地解決上述技術(shù)難題。該軟件基于 A shok.Singhal 和 Jiang Yu 等人提出的全空化模型,可精確求解包括空化、超空化在內(nèi)的運(yùn)動機(jī)械的復(fù)雜流動問題。其內(nèi)置的 VOF 模型在船體的阻力和速度分析方面獲得了高度的吻合。 同時該軟件內(nèi)置了多種運(yùn)動機(jī)械模板,模板將 CFD 分析的流程和規(guī)范以及動網(wǎng)格開發(fā)等內(nèi)容全部內(nèi)置在軟件中,對于船用機(jī)械的 CFD 分析而言,大大降低了技術(shù)難度并提高了效率。2. PumpLinx  公司及軟件介紹2.1公司介紹 PumpLinx 是 Simerics 公司的產(chǎn)品。Simerics 是一家美國的動力學(xué)軟件/咨詢公司,總部位于美國阿拉巴馬州亨茨威爾市,它的使命是通過高效率、高精度的CFD 仿真工具來支持工程師的技術(shù)研發(fā)。Simerics 的團(tuán)隊由科學(xué)家和工程師構(gòu)成,他們的核心成員早在 1980 年就是 CFD 軟件開發(fā)和應(yīng)用方面的先驅(qū)者。他們將自己的知識和經(jīng)驗與先進(jìn)的計算物理、計算幾何和軟件工程相結(jié)合,給客戶提供了新一代的仿真工具。Simerics 在 CFD 軟件開發(fā)上堅持走面向企業(yè)用戶的專業(yè)化道路,在航空、船舶、汽車、泵及工程機(jī)械行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。目前美國Flowserve、伊頓、格蘭富集團(tuán)等都是 Simerics 公司正式用戶;在國內(nèi),中船重工 704 所、705 所、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、一汽富奧、佳木斯電機(jī)、北方發(fā)動機(jī)研究所、西安航空動力控制工程有限責(zé)任公司、北京長空機(jī)械廠、貴州紅林機(jī)械等均是 PumpLinx 的正式用戶。2.2PumpLinx  軟件介紹 PumpLinx 是美國 Simerics 公司特別針對各種運(yùn)動機(jī)械的流體力學(xué)模擬計算開發(fā)的 CFD 軟件。PumpLinx 的核心部分是一個功能強(qiáng)大的CFD 求解器,可求解包括可壓縮/不可壓縮流體流動的傳熱、傳質(zhì)、湍流、空化、自由液面等在內(nèi)的物理現(xiàn)象。在求解器基礎(chǔ)上,PumpLinx 提供了多種運(yùn)動機(jī)械模板,用于完成不同運(yùn)動機(jī)械的網(wǎng)格生成、參數(shù)設(shè)置、非定常計算中動網(wǎng)格設(shè)置以及后處理數(shù)據(jù)自動采集等多項專用功能。它的目標(biāo)是成為工程師最有力的數(shù)值模擬工具,幫助工程師更好的設(shè)計螺旋槳、噴水推進(jìn)器、泵閥、壓縮機(jī)以及船體等船用機(jī)械。PumpLinx  專業(yè)的運(yùn)動機(jī)械模板  PumpLinx 具備專業(yè)的螺旋槳/噴水推進(jìn)器/船用泵閥等運(yùn)動機(jī)械模板, 可快速完成計算模型及邊界條件設(shè)置。模板針對不同運(yùn)動機(jī)械的 CFD 模擬將對應(yīng)的流程和規(guī)范內(nèi)置到 PumpLinx 軟件中,使 CFD 模擬的設(shè)置簡單化,保證了計算的準(zhǔn)確性和可靠性。PumpLinx  獨(dú)特的專有網(wǎng)格技術(shù)?  高度自適應(yīng)的二叉樹笛卡爾網(wǎng)格技術(shù):PumpLinx 包括一個自動化的笛卡爾網(wǎng)格生成器,它可以便利的生成 CFD 求解器可以高效求解的高質(zhì)量網(wǎng)格。這個網(wǎng)格生成器采用專有的幾何等角自適應(yīng)二元樹(geometry Conformal Adaptative Binary-tree)算法,既 CAB 算法,CAB 算法在由封閉表面構(gòu)成的體域生成迪卡爾網(wǎng)格。 在靠近幾何邊界, CAB 自動調(diào)整網(wǎng)格來適應(yīng)幾何曲面和幾何邊界線。 為了適應(yīng)關(guān)鍵性的幾何特征, CAB 通過不斷的分裂網(wǎng)格來自動的調(diào)整網(wǎng)格大小,這是利用最小的網(wǎng)格分辨細(xì)節(jié)特征的最有效方法。 PumpLinx  的通用笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)特點(diǎn)如下:  自動、快速的網(wǎng)格生成:用戶選擇一組封閉表面,點(diǎn)擊一個按鈕,網(wǎng)格完全自動的生成。對于大多數(shù)工程問題,可以在幾分鐘之內(nèi)完成網(wǎng)格劃分。  精確的表達(dá)原始幾何:創(chuàng)建與曲面形狀相匹配的網(wǎng)格,可以保證準(zhǔn)確表達(dá)重要幾何特征。CAB 也可以自動的增加網(wǎng)格密度來更好的分辨幾何特征,用戶可以直接設(shè)置曲面的網(wǎng)格密度來直接控制網(wǎng)格質(zhì)量。  高質(zhì)量/高效率的網(wǎng)格:CAB 通常生成更適合于高精度算法的迪卡爾六面體網(wǎng)格。對于同樣的精度水平,與四面體網(wǎng)格相比數(shù)量更少。 能夠容忍“爛”幾何:許多 CAD 曲面并不是完全貼合。它們也許有小縫隙,或者是沒有專門縫合在一起。如果幾何包含這樣的“爛”特征,許多網(wǎng)格生成算法會失敗,因此在生成之前,幾何必須清理干凈。CAB 算法在一定程度上可以容忍“爛”幾何。對于多數(shù)情況,CAB 基于“爛”幾何可以生成合理的網(wǎng)格,而精度損失是可以忽略的,從而獲得有意義的模擬結(jié)果。

?  PumpLinx 運(yùn)動機(jī)械模板網(wǎng)格技術(shù):針對不同的運(yùn)動機(jī)械模型,提供了一個模板化的網(wǎng)格生成器,通過一鍵式的操作專門生成泵閥等運(yùn)動機(jī)械轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

?  PumpLinx 通用模板網(wǎng)格技術(shù):PumpLinx 內(nèi)置通用的網(wǎng)格模板技術(shù),可參數(shù)化生成棱柱體、六面體、圓柱體等的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,特別適用于某些特定結(jié)構(gòu)的幾何模型網(wǎng)格生成,在生成方式、操作步驟和網(wǎng)格精度上都更簡潔、快速和優(yōu)良。由此可見,PumpLinx 網(wǎng)格生成方式多樣,技術(shù)優(yōu)良,針對不同的結(jié)構(gòu)特征可采用不同的網(wǎng)格生成方法,從而有效地提高網(wǎng)格生成速度、降低網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量。

獨(dú)特的網(wǎng)格及模型參數(shù)記憶功能 PumpLinx 具備網(wǎng)格和模型設(shè)置參數(shù)記憶功能,即對于生成的已有的網(wǎng)格模型,可查看相關(guān)網(wǎng)格尺寸參數(shù),且可以在原網(wǎng)格的基礎(chǔ)上修改相關(guān)參數(shù),新生成的網(wǎng)格模型會自動覆蓋原來的網(wǎng)格,并保留所有模型設(shè)置信息如邊界條件、動網(wǎng)格設(shè)置、自由度模型設(shè)置、求解模型設(shè)置信息等。對于船體的設(shè)計分析而言,得益于 PumpLinx 的網(wǎng)格和模型記憶功能,可以非常方便地進(jìn)行船體的優(yōu)化設(shè)計分析。如下圖為某船體的網(wǎng)格模型,如客戶有另一船體的分析模型,只需將分析模型的名稱與 PumpLinx 的原模型保持一致,則利用網(wǎng)格記憶和覆蓋功能,可以非?？焖俚厣煞戏治鲆蟮募用芎蟮木W(wǎng)格模型,并保持原有的計算模型設(shè)置、動網(wǎng)格和自由度模型設(shè)置等信息,實現(xiàn)船體 VOF 分析的模板功能。PumpLinx  穩(wěn)健而精確的多相流技術(shù) 1.全空化數(shù)值模擬   PumpLinx 擁有工業(yè)界獨(dú)一無二的空化(汽蝕)模型,該模型基于 Ashok.Singhal 和 Jiang Yu 等人提出的全空化模型。全空化模型是基于兩相流的模型思想,用 Rayleigh-plesset 方程求解氣泡變化的動態(tài)過程,引入了混合密度的概念, 并綜合考慮了液體的可壓縮性以及蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)過程。對于非凝結(jié)氣,PumpLinx 也提供了不同的子模型供用戶選擇,如固定氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可變氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。  PumpLinx 空化模型的特別之處在于對特別困難的問題,在其它軟件都失敗的情況下PumpLinx 依然可以收斂。除此之外,該空化模型不但能準(zhǔn)確地預(yù)測汽蝕對效率的影響,還可以準(zhǔn)確地預(yù)測汽蝕損害可能發(fā)生的位置, 當(dāng)空化效應(yīng)不可忽略時,這一能力對于許多問題都是很重要的。2.VOF  模型
 PumpLinx_4.0 版本已推出 VOF 兩相流數(shù)值模型,并在許多案例中得到成功應(yīng)用,其技術(shù)特點(diǎn)如下:嚴(yán)格遵守質(zhì)量守恒及不可壓縮項的體積守恒,可考慮任意項的可壓/不可壓特性,可采用隱式或顯式時間格式,具有高分辨率的交互面捕捉方法,內(nèi)置表面張力模型和壁面接觸模型。目前 PumpLinx VOF 模型已成功應(yīng)用于船體的自由液面模擬,輪箱油液潤滑,油泵自吸,溢流堰流場仿真,潰壩以及攪拌器內(nèi)流場仿真等驗證等。結(jié)合 PumpLinx 的具體應(yīng)用,PumpLinx VOF模型具有如下優(yōu)勢:? 可處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型? 可考慮微米間隙問題? 具備多種類型的網(wǎng)格技術(shù),可針對不同模型采用不同方法劃分網(wǎng)格? 先進(jìn)的移動/華東/變形網(wǎng)格之間的交互面技術(shù)(MGI)? 可應(yīng)用于多種類型的運(yùn)動機(jī)械和閥門? 可適用于大范圍的動壓改變? 與實驗值具有良好的吻合性? 合理的計算時間,對于復(fù)雜問題亦是如此? 具有良好的收斂性和穩(wěn)定性。高效的求解器  PumpLinx 求解器是在傳統(tǒng)的 CFD 求解器基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn), 將其最新的數(shù)值技術(shù)與 PumpLinx 專有算法相結(jié)合,建立了一個比其它競爭對手更快速、更穩(wěn)健的數(shù)值模擬工具。一般來說,在同等計算條件下,PumpLinx 計算速度比同類軟件快 5 倍左右。  作為專業(yè)運(yùn)動機(jī)械CFD仿真工具,PumpLinx可用于分析以下工程流體問題:? 內(nèi)流/外流? 層流/湍流? 多組分/多相流動? 空化/氣蝕? VOF? 可壓/不可壓? 亞音速/超音速? 穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)? 導(dǎo)熱/對流傳熱? 多孔介質(zhì)? 浮力驅(qū)動流(重力效應(yīng))? 旋轉(zhuǎn)/平動等多自由度運(yùn)動問題   PumpLinx 支持多核并行計算,以顯著提高其計算速度,PumpLinx 結(jié)合強(qiáng)大的網(wǎng)格技術(shù)、快速的求解功能和并行求解能力,使得PumpLinx 可以有效實現(xiàn)三維系統(tǒng)級的 CFD 仿真,如 PumpLinx 已完成螺旋槳帶船體仿真、噴水推進(jìn)器整流場仿真、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)仿真、潤滑系統(tǒng)仿真(包含油泵、閥門、管道及其他部件) 、冷卻系統(tǒng)仿真等,實現(xiàn)了真正意義上的三維系統(tǒng)級仿真,并有效地為客戶解決了實際問題。計算結(jié)果的可靠性 PumpLinx 可以精確模擬包括螺旋槳、噴水推進(jìn)器、水下航行器等運(yùn)動機(jī)械在內(nèi)的的空化及超空化流動問題。該空化模型已經(jīng)被大量的工程題目所驗證,如下圖即為不同流體機(jī)械汽蝕損害區(qū)域模擬與試驗的對比情況。
PumpLinx  的應(yīng)用PumpLinx 適用于所有具有旋轉(zhuǎn)或滑動部件的流體機(jī)械設(shè)備,其典型應(yīng)用包括:(1)螺旋槳/風(fēng)扇(2)混流泵/噴水推進(jìn)器(3)軸流泵/扇(4)正位移泵/馬達(dá)  將 PumpLinx 應(yīng)用于螺旋槳/風(fēng)扇、 軸流泵/扇、 混流泵/扇、 正位移泵/馬達(dá)等,可獲得螺旋槳/泵相關(guān)參數(shù)從而指導(dǎo)其設(shè)計,主要包括:—流場壓力、速度分布;—空化及汽蝕損害區(qū)域分布; —葉輪軸向及徑向力分布;—流場任一點(diǎn)壓力脈動(瞬態(tài)模擬) ;—臨界汽蝕余量預(yù)測;—定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計;—進(jìn)出口流道設(shè)計;—葉尖和機(jī)匣間縫隙分析;—優(yōu)化性能;—降低葉片載荷;—降低汽蝕對螺旋槳/泵效率的影響,延長壽命。(5)軸向柱塞泵將 PumpLinx 應(yīng)用于軸向柱塞泵設(shè)計可以實現(xiàn):—實現(xiàn)單個汽缸參數(shù)的瞬態(tài)追蹤,進(jìn)而優(yōu)化單個汽缸設(shè)計;—軸向力和徑向力;—入口和出口通道設(shè)計;—閥片設(shè)計;—考慮泄漏時的影響,降低泄漏;—降低壓力、流量脈動和噪聲;—預(yù)測汽蝕位置,降低汽蝕對泵效的影響,延長泵壽命。  PumpLinx 內(nèi)置有外嚙合、內(nèi)嚙合、新月形齒輪泵的動網(wǎng)格模板,可直接生成齒輪部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,且可自動考慮齒輪的端面間隙,使模擬結(jié)果與實際更接近,精度更高。將 PumpLinx 應(yīng)用于外齒輪、內(nèi)齒輪、新月形內(nèi)齒輪設(shè)計可以實現(xiàn):—齒輪設(shè)計;—進(jìn)出端口設(shè)計;—降低泄漏;—降低壓力、流量脈動和噪聲;—降低汽蝕對泵效的影響,延長泵壽命。(9)滑片泵 PumpLinx 內(nèi)置有滑片泵動網(wǎng)格模板,可自動劃分轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,可考慮微米級別的端面間隙。此外,PumpLinx 內(nèi)置有變排量滑片泵模板,可模擬擺動式和往復(fù)式變排量滑片泵的內(nèi)部流場,實現(xiàn)變排量滑片泵的模擬和優(yōu)化設(shè)計。將 PumpLinx 應(yīng)用于滑片泵設(shè)計可以實現(xiàn):—葉片設(shè)計;—進(jìn)口和出口流道設(shè)計;—降低泄漏;—降低壓力波和噪聲;—降低汽蝕對泵效的影響,延長泵壽命;—擺動/往復(fù)式變排量泵的優(yōu)化設(shè)計。
(10)其他 4.PumpLinx  在 船舶行業(yè) CFD 仿真中的應(yīng)用01PumpLinx 在高速水下航行體空化及超空化中的應(yīng)用  水下航行體 CFD 模擬,是一個非常復(fù)雜的多相流動問題。魚雷在水下高速運(yùn)動時,魚雷表面附近的水因低壓而發(fā)生相變,形成覆蓋航行體大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后,魚雷將在氣體中航行,由于在水中的摩擦阻力約為在空氣中摩擦阻力的 850 倍,因此,超空泡技術(shù)的應(yīng)用可以使水下航行體的摩擦阻力大幅減小, 從而使魚雷等大尺度水下航行體的速度提高到 100m/s 的量級,使水下射彈等小尺度水下航行體的航速提高到 1000m/s 的量級 。  超空泡流動包含了非定常、可壓縮、相變、湍流等流體力學(xué)研究中比較復(fù)雜的流動現(xiàn)象,對空泡流的數(shù)值模擬研究帶來了很大挑戰(zhàn),計算收斂性和結(jié)果精度都難以保證,因而超空化魚雷的數(shù)值模擬存在許多技術(shù)難點(diǎn)。  PumpLinx 不僅擁有先進(jìn)的網(wǎng)格劃分方法,可以大大提高 CFD 模擬的前處理時間,而且擁有世界上最先進(jìn)的空化預(yù)測模型,可以非常準(zhǔn)確的預(yù)測空泡形態(tài),而且在其他計算軟件很難計算收斂的情況下,PumpLinx 依然可以計算收斂。如圖 4.3 所示,PumpLinx 可以準(zhǔn)確的預(yù)測高速水下航行體空泡形態(tài)。  PumpLinx 作為專業(yè)的運(yùn)動機(jī)械仿真軟件,結(jié)合其內(nèi)置的獨(dú)特全空化模型,不僅可以模擬水下航行體的自然超空泡和通氣超空泡, 同時對于水下航行體以某一角度擺動或繞某點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的超空泡運(yùn)動也能實現(xiàn)其數(shù)值模擬, 預(yù)測不同運(yùn)動工況下空泡的形態(tài)及泡內(nèi)外壓力, 為空泡形態(tài)變化對水下彈射的作用及水下航行器的流體動力特性研究提供分析依據(jù)。 02 PumpLinx 在螺旋槳模擬中應(yīng)用  在船舶推進(jìn)研究領(lǐng)域, 如何準(zhǔn)確預(yù)報螺旋槳的水動力性能一直是引人關(guān)注的研究課題,而且螺旋槳尾流場關(guān)系到螺旋槳的水動力性能、空泡性能、激振力和噪音問題,所以長期以來受到人們的關(guān)注,PumpLinx 可以準(zhǔn)確模擬螺旋槳水動力性能以及空泡性能, 從而為噪聲模擬提供精確流場數(shù)據(jù)。 如圖 4.8 至 4.14 所示:  此外 PumpLinx 也能實現(xiàn)螺旋槳的伴流設(shè)計以及雙螺旋槳的流場數(shù)值模擬,為設(shè)計提供更為準(zhǔn)確和有價值的結(jié)果。 03PumpLinx 在噴水推進(jìn)器模擬中的應(yīng)用  噴水推進(jìn)技術(shù)具有推進(jìn)效率高、抗空泡性強(qiáng)、附體阻力小、操縱性號、傳動軸系簡單、保護(hù)性能號、運(yùn)行噪聲低、變工況范圍廣和利于環(huán)保等有點(diǎn)。噴水推進(jìn)器的內(nèi)部流動是一種復(fù)雜的三維紊流流動, 目前最有力的研究途徑是利用計算流體力學(xué)(CFD)方法去模擬流場中的壓力、速度分,預(yù)測噴水推進(jìn)器的性能優(yōu)劣,進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。  PumpLinx 軟件有專門的噴水推進(jìn)器模板,可快速劃分流場網(wǎng)格,通過最先進(jìn)的空化預(yù)測模型,準(zhǔn)確的模擬噴水推進(jìn)器內(nèi)部壓力、速度及空化情況,如圖4.11 所示。 04PumpLinx 在船用泵CFD仿真中的應(yīng)用  船用齒輪泵仿真 齒泵是一種常用的容積式泵,主要類型有:擺線內(nèi)齒輪泵、新月形內(nèi)齒輪泵、外齒輪泵等。齒輪泵被廣泛的用在船舶的滑油系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)中。 CFD(計算流體力學(xué))技術(shù)不斷地應(yīng)用到涉及流體運(yùn)動的各個領(lǐng)域,并取得了很多有價值的成果。但在容積泵領(lǐng)域的 CFD 分析一直進(jìn)展緩慢,這主要有以下兩個方面:一、泵幾何結(jié)構(gòu)和流動機(jī)理的復(fù)雜性,特別是流動涉及到了多相流(空化現(xiàn)象) ,目前,人們對空泡流的認(rèn)識還不夠深入。另外,氣液兩相的密度比可大 103 的量級,這在數(shù)值算法的實現(xiàn)上具有一定的難度;二、轉(zhuǎn)子式容積泵的 CFD 模擬包含動網(wǎng)格,且嚙合間隙在 10-5mm 的量級,網(wǎng)格生成困難。雖然有相關(guān)的數(shù)值模擬文獻(xiàn)被發(fā)表,但大多進(jìn)行了大量的簡化,如:2D 模型、調(diào)大間隙等等,結(jié)果與實驗有一定的差異。  PumpLinx 具有獨(dú)特的齒輪泵網(wǎng)格生成模板, 可以快速生成結(jié)構(gòu)化的動網(wǎng)格。同時,由于數(shù)值算法優(yōu)異的魯棒性,使得分析可以將齒輪嚙合間隙減小到50-100 μm 的量級,完全符合真實產(chǎn)品的裝配公差。PumpLinx 穩(wěn)健的空化模型,使工程師可以快速預(yù)測泵內(nèi)可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的位置, 為改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工況提供依據(jù)。  以下給出了 PumpLinx 模擬齒輪泵的若干應(yīng)用案例: 船用柱塞泵/ 馬達(dá) 仿真應(yīng)用  柱塞泵/馬達(dá)是船舶液壓和燃油系統(tǒng)用泵的典型應(yīng)用之一,各個柱塞腔的流體在配流盤處匯合,各個柱塞之間相互影響。柱塞泵在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生空化現(xiàn)象,導(dǎo)致嚴(yán)重的氣蝕破壞和氣蝕噪聲,并導(dǎo)致元件破壞和流體噪聲?？栈F(xiàn)象出現(xiàn)在元件內(nèi)部,尤其是復(fù)雜流動的位置區(qū)域,很難通過試驗手段進(jìn)行直接觀測,因此通過對柱塞泵進(jìn)行內(nèi)部流場的建模,使用數(shù)值模擬方法對空化現(xiàn)象進(jìn)行研究,對空化產(chǎn)生的位置進(jìn)行模擬仿真,分析其產(chǎn)生的過程。  將 PumpLinx 應(yīng)用于柱塞泵設(shè)計可以實現(xiàn):實現(xiàn)單個汽缸參數(shù)的瞬態(tài)追蹤,進(jìn)而優(yōu)化單個汽缸設(shè)計;軸向力和徑向力;入口和出口通道設(shè)計;閥片設(shè)計;考慮泄漏時的影響,降低泄漏;降低壓力、流量脈動和噪聲;預(yù)測汽蝕位置,降低汽蝕對泵效的影響,延長泵壽命。 從空化分布圖可以看出柱塞泵在配流過程中, 當(dāng)柱塞從低壓腔接通高壓腔的時候,由于減壓槽和減壓孔兩端的壓差,導(dǎo)致在這兩處的流速過快,動壓增大,靜壓減小,使得這兩處產(chǎn)生大量的氣泡,發(fā)生了明顯的空化現(xiàn)象,這與現(xiàn)實中柱塞泵內(nèi)空蝕破壞的位置相符合。由壓力脈動監(jiān)測結(jié)果可知,PumpLinx 預(yù)測的柱塞泵流道不同位置處的壓力脈動與試驗值有很高的吻合度, 這為工程師分析壓力脈動和噪聲提供了有力的分析依據(jù)。  上兩圖為考慮不同位置摩擦副(配油盤、滑靴、球頭、筒壁)的仿真模型和流場壓力分布,通過考慮不同位置摩擦副,可更好的分析摩擦副對泵回油流量和內(nèi)泄漏的影響,從而為泵的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。  船用螺桿泵/ 壓縮機(jī)  螺桿泵/壓縮機(jī)由于具有其他類型泵不可取代的特點(diǎn),如輸送介質(zhì)平穩(wěn)、低紊流、壓力脈動小、噪聲低等,在船舶行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而由于螺桿泵/壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性,對于螺桿泵/壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成和復(fù)雜的動網(wǎng)格運(yùn)動設(shè)置難以完成,此外在 CFD 分析時對于泄露、多相流以及大的 P&T 的梯度比等因素都使得螺桿泵/壓縮機(jī)的 CFD 應(yīng)用沒有得到較好地應(yīng)用。目前 PumpLinx 聯(lián)合倫敦城市大學(xué)研發(fā)的螺桿機(jī)械前處理軟件 SCORG 可以有效解決上述技術(shù)難點(diǎn),并已取得了較多的成功應(yīng)用。  將 PumpLinx 應(yīng)用于螺桿泵/壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計可實現(xiàn):—優(yōu)化泵/壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線和轉(zhuǎn)子幾何設(shè)計;—優(yōu)化進(jìn)出口流道設(shè)計;—間隙、泄露對泵/壓縮機(jī)性能的影響;—優(yōu)化熱力學(xué)特性;—監(jiān)測流場任一點(diǎn)的壓力脈動,降噪減振、延長泵/壓縮機(jī)壽命。 05Pumplinx  在驅(qū)逐艦(DTMB 5415)分析  對于驅(qū)逐艦的阻力和液位型面等的分析, 由于涉及到需要獲取合理的網(wǎng)格模型, 需要設(shè)置驅(qū)逐艦行進(jìn)過程中的動力學(xué)關(guān)系以及動網(wǎng)格設(shè)置等, 同時對于 VOF的模型設(shè)置調(diào)試同樣難度較大,因此要快速獲得合理的分析結(jié)果挑戰(zhàn)較大。PumpLinx 的獨(dú)特之處在于由于其具備網(wǎng)格記憶和覆蓋功能,因此對于其他的船體分析模型,可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格覆蓋,同樣可在短短幾分鐘之內(nèi)生成合理的網(wǎng)格模型,并保留所有的模型參數(shù)設(shè)置,等效于船體 VOF 分析的模板功能,可快速進(jìn)行 CFD 求解計算。 5415 模型是由 1980 年代海軍水面艦艇的最初設(shè)計演化而來,幾何模型及尺寸如圖 4.33 和表 4.1 所示。 為獲得合理且精度高的網(wǎng)格模型,可在 PumpLinx 前處理部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,通過 PumpLinx 的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)和局部網(wǎng)格加密技術(shù)可以快速完成船體的分析模型的網(wǎng)格劃分。對于該驅(qū)逐艦?zāi)Ｐ?Pumplinx 模型網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為 250萬,劃分時間不到 2 分鐘。其網(wǎng)格模型如下圖所示。
 Pumplinx 的 VOF 模型可以精確模擬船舶外流場, 不同工況下的計算結(jié)果如下圖所示。  對于驅(qū)逐艦而言,行進(jìn)的速度至關(guān)重要,因此對阻力的分析必不可少,Pumplinx 的阻力分析結(jié)果與實驗值對比如下圖所示,由圖可知,Pumplinx 展現(xiàn)出較高的計算精度,最大誤差不超過 2.02%。


 結(jié)論綜上所述, 選擇 PumpLinx 作為船舶行業(yè)的流體分析工具是非常合適的, 理由如下:1) PumpLinx 包含大量的專業(yè)運(yùn)動機(jī)械模板, 可快速完成螺旋槳、 水下航行體以及船用泵閥等運(yùn)動部件的高質(zhì)量網(wǎng)格劃分和動網(wǎng)格設(shè)置;且可以考慮微米級間隙以及嚙合間隙的網(wǎng)格生成。2) PumpLinx 的網(wǎng)格記憶和模型覆蓋功能對于驅(qū)逐艦、集裝箱船等的CFD 分析具有模板功能, 可以借助已有的分析模型快速進(jìn)行模型的搭建和分析,對于優(yōu)化設(shè)計同樣十分適合。3) PumpLinx 大量的運(yùn)動機(jī)械模板包含了大量 CFD 模擬的流程和規(guī)范,降低了對使用者的 CFD 背景知識的要求,一般設(shè)計人員就可以使用。4) PumpLinx 獨(dú)特的網(wǎng)格技術(shù)和快速穩(wěn)定的求解功能,使得 PumpLinx容易實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的船用運(yùn)動機(jī)械 CFD 仿真,為工程師提供更精確可靠的仿真結(jié)果,更好地指導(dǎo)工程師的優(yōu)化設(shè)計工作。5) PumpLinx 穩(wěn)健而精確的全空化數(shù)值模型和 VOF 多相流模型可以精確解決船用泵閥以及螺旋槳中存在的空化問題,為工程師提供有價值的計算結(jié)果。6) PumpLinx 計算速度通常是同類 CFD 軟件的 1/5 倍左右,因而可以快速計算。7) Pumplinx 已經(jīng)在 船舶 、航空、航天、 車輛 、泵及工程機(jī)械行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

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