PumpLinx变排量泵数值分析解决方案

1. 必要性分析

1.1 应用背景

机油泵用于给汽车润滑系统提供供油动力，与发动机曲轴直接连接，机油泵的运转也要消耗一部分发动机功率。采用定排量泵的发动机在高转速工况下，通常会浪费大量的发动机功率，造成了不必要的燃油浪费。随着国际油价的不断攀升和排放法规的日益严格，降低油耗成为汽车行业的一个重要发展目标。从国外相关研究报告来看，采用可变排量机油泵一般能降低乘用车发动机1%-3%的燃油消耗。因此，研发变排量泵成为目前的发展趋势。

传统定量泵流量转速变化曲线

目前国外已应用变排量泵技术的汽车企业较多，如德国IAV公司、宝马公司、奥迪公司、通用、美国SLW汽车公司等。近年来国内也有部分企业开始研发变排量泵产品，如湖南机油泵、东风泵业、宁波圣龙、幸福摩托、一汽富奥、绵阳万欣等。海基科技已联合部分客户如湖南机油泵、东风泵业、一起富奥等进行了变排量泵的数值分析工作，采用数值分析的手段对变排量泵进行性能预测，较好地协助工程师的研发。

1.2 变排量滑片泵原理简介

目前应用较为广泛的变量泵为变排量滑片泵（VDVP）、变排量外齿轮泵和变排量摆线泵。以VDVP为例，简要介绍其变排量机理。

VDVP包括以下几部分：泵壳、转子、叶片、摆动/滑动滑片、进出油槽等，其变量形式可分为滑动变量式或摆动变量式，其原理大致相同：通过外调节环的滑动或摆动，改变其与转子的偏心距，进而改变叶片泵的排量。如下图所示，当反馈腔中的油压达到规定值时，压力会大于扭簧的弹力而推动外调节阀片（蓝色部分）绕轴转动（摆动轴），从而使滑片相对于转子的偏心距变小，减小油泵的排量；当反馈机油压力降低时，弹簧逐渐回位从而使外调节滑片复位。

VDVP结构图

1.3 CFD仿真需求分析

泵类元件的设计是一个不断改进、优化的过程。这就意味着从设计到试验，再到产品满足要求，中间会出现多次的反复。而试验环节不仅成本高，周期长，而且由于试验手段的限制，对设计缺陷的诊断也很困难，对于如何改进往往无从下手。并且国内企业对于机油泵的试验手段仍是以满足基本功能和耐久为主，不足以对性能优化提供全面支持。

这样的设计流程通常跟不上型号的进度，技术创新也将极大受到限制。问题的关键在于：在设计和试验中间，缺少一个过渡环节：数值仿真环节。该环节能较快的将设计方案、创新想法进行数值模拟，确定泵在各个转速的排量、流量、压力波动及空化现象。为工程师提供更直观、具体的信息，使方案的改进有据可依。数值仿真技术可以部分地取代试验，使验证工作转到了计算机虚拟平台上，减少试验的工作量。从而有效地降低设计成本，缩短设计周期，提高产品质量。

随着计算机技术和数值算法的不断进步，数值仿真软件逐渐成为工程设计人员进行产品研发的得力助手。泵的CFD（计算流体力学）模拟就是利用现代CFD技术模拟泵的流量、扬程、轴功率、效率等参数。这样，在泵的设计阶段就可以了解泵的性能，避免设计失误，减少试验成本，缩短设计周期。因此，采用现代CFD技术来对变排量泵产品进行设计，是产品占领技术优势的重要手段。

2. 变排量泵仿真难点

由以上结构原理介绍可知，变排量泵结构复杂，内置有多个运动部件，且各部分结构相互影响，共同完成变排量的过程，因此数值仿真难度非常大，主要仿真难度总结如下：

1、供油腔容积随时间变化，需要考虑供油腔的动网格变化；

2、受调节滑片（VDVP）、活塞（VDGP）的影响，滑动腔和反馈腔均存在容积变化，需要用到动网格技术；同时外调节滑片的运动，也会影响供油腔的容积变化，两者相互耦合相互影响，需要二者的协同工作；

3、大部分机油泵出口均安装有释压阀门，起调节保护作用，调节阀一般为往复式运动，同样也需要考虑动网格运动，同时也需要考虑释压阀与泵主体之间的协同作用；

4、变排量泵内部往往涉及间隙泄露，如考虑则大大增加了网格划分的难度。

5、机油泵内存在空化现象，且对于某些机油泵空化现象较为严重，传统的空化模型在收敛性、计算精度及计算速度方面无法满足客户要求。

6、变排量泵结构复杂，多个部件均需协同工作，既需要准确模拟流场，同时又需要精确地将动力学关系反馈到流场分析，流动和结构机理都十分复杂，仿真难度大。

3.变排量泵数值分析解决方案

基于上述技术难点，海基科技提出基于PumpLinx的解决方案，为变排量泵的设计仿真提供简便、快捷的方法。PumpLinx作为专业的运动机械CFD仿真软件，对于变排量泵的分析具备独特的技术优势：

1、 PumpLinx具备专业的VDVP、VDGP模板，可快速完成VDVP、VDGP转子区域的网格划分、动网格设置，以及相关的动力学关系设置；

2、PumpLinx具备专业的阀模板，可快速完成摆动滑片和往复阀门的网格划分，并快速完成其动网格设置；

3、PumpLinx内置有专业的模板网格，可完成低至几十微米量级的间隙网格；除此之外，PumpLinx内置的基于CAB算法的笛卡尔网格，划分速度快、精度高、网格数量少，结合PumpLinx高效的求解器，可快速完成结构复杂的运动机械仿真。

4、PumpLinx内置领先的无二的全空化模型，收敛性好，稳定性高，且计算结果已得众多实例验证，已在空化分析领域得到广泛认可。

5、PumpLinx求解器是在传统的CFD求解器基础上进行开发和改进，将其领先的数值技术与PumpLinx专有算法相结合，建立了一个比其它竞争对手更快速、更稳健的数值模拟工具。一般来说，在同等计算条件下，PumpLinx计算速度比同类软件快5倍左右。

6、PumpLinx可与噪声分析软件耦合，进行流致振动噪声分析。

4.PumpLinx变量泵项目经验

4.1 VDVP多工况性能分析

下图VDVP为SLW公司研发的一款VDVP，通过运用PumpLinx对该变排量泵进行数值仿真，并将仿真结果与试验值进行对比，验证了PumpLinx仿真结果的可靠性。如图为提取的VDVP流体域模型，大致可分为以下几部分：进出口部分、转子（供油腔）部分、反馈油腔和摆动油腔部分和卸压槽部分。对该流体域模型，在网格划分部分，分别调用滑片泵模板完成转子部分的网格划分（如考虑间隙，则直接调用高级模式设置间隙参数即可完成转子和间隙的网格划分），摆动阀模型完成摆动腔和反馈腔的网格划分，笛卡尔网格完成其余部分的网格划分。最终网格数为452471。

VDVP流体域模型

VDVP流体域网格模型

对该变排量泵，在模型设置部分，调用模板有滑片泵模板、摆动阀模板、转动自由度模型、全空化模型及层流模型。对于滑片泵模板设置其转速、旋转方向及旋转中心，并在模板里完成偏心距随滑片变化设置；对于转动自由度模型，设置扭簧处滑片初始位移、初始角速度、转动惯量、弹簧扭矩、预紧扭矩及阻尼系数等，通过该转动自由度控制摆动阀片的运动。流体介质参数如下：

表1 机油泵介质属性

对最终优化后的VDVP分析了1000-4000rpm共4个工况下的结果，并将PumpLinx预测值与实际试验值对比，吻合度较好，验证了PumpLinx结果的可靠性。

流量-转速曲线对比（出口压力50Kpa）

出口压力-出口流量曲线对比（1000RPM）

出口压力-出口流量曲线对比（2000RPM）

出口压力-出口流量曲线对比（3000RPM）

上图显示了泵出口流量随出口压力的变化，由图可知当出口压力小于200Kpa时，摆动滑片已开始滑动，开始起到调节流量的作用。

   

气体体积分数分布（1000RPM）       气体体积分数分布（2000RPM）

   

气体体积分数分布（3000RPM）           气体体积分数分布（4000RPM）

上述空化预测均为出口压力为50kpa边界条件下所得结果，由图可知，在从3000rpm开始泵内已开始发生空化，在4000rpm时泵内空化已十分明显。

其他VDVP仿真项目：

 

VDVP转速流量预测及对比

VDVP截面压力分布

调整环位移变化

泵扭矩预测

4.2变排量齿轮泵性能分析

变排量齿轮泵控制原理简单，成本较低，亦取得了较为广泛的应用。以下为某变量外齿泵的结构部件，采用PumpLinx可以较好地进行变量外齿轮泵的性能分析。

变排量齿轮泵结构

根据结构模型特点和CFD分析需要，将齿轮部分错位1/3，阀门开度调至1/3，提取流体域模型，如下所示，主要包括泵体、阀门、活塞、进出口区域。

VDGP流体域模型

对齿轮、阀门、活塞区域，采用模板网格进行网格划分，自动设置动网格，自动计算阀门、活塞的运动规律；对于其他非变形流体区域，采用二叉树笛卡尔自适应网格。最终的计算网格为120万。

VDGP网格模型

仿真过过程中，泵进口压力为1bar，转速随时间连续增大，从600RPM增加到6000RPM，出口连接有控制压力的阀门，此处以节流孔代替，出口压力为1bar。调节阀门与节流孔上游的出油段相连，随着转速增加，出油段压力上升，当达到开启压力时会启动调节阀门，通过调节阀门控制变量活塞的位移，从而达到变排量的目的。

计算压力云图

变排量泵出口流量变化

由流量变化曲线可知，当转速不断增加，出油段压力增高，活塞位移逐渐加大，从而控制泵出口流量维持在某一定值。PumpLinx可以将变量泵的加速过程中，泵内部流场变化和性能变化进行详细分析，为设计人员提供分析依据。

4.3机油泵流致噪声分析

泵类作为一种重要的能量转换和流体输送装置，广泛用于润滑、传动及冷却系统，工业各个行业均有大量使用。随着日益严格的环境噪声水平的限制，泵阀产生的振动噪声问题越来越被关注。齿轮泵的噪声源主要包括：(1)齿轮泵齿与齿之间的周期性的相互作用引起的噪声；(2)齿轮泵固定安装不稳产生的周期性的振动噪声；(3)湍流边界层及尾流；(4)漩涡从固体表面脱落；(5)湍流冲击固体表面；(6)空泡噪声。泵阀流致振动噪声分析中，流固耦合、声振耦合分析均较为复杂，工作量较大，工程师往往以实验测试和工程经验为主。海基科技在泵阀的噪声分析中取得了大量的成果，为客户产品的减噪设计提供了很大的帮助。

噪声分析流程

海基科技对一转速为6000RPM的10齿的外啮合齿轮泵进行了噪声分析，模型如下。

声学模型包括：内部油液区、泵体、外部空气域；对计算区域进行网格划分，在划分网格时，网格大小满足每声波波长至少6个线性网格单元要求。

声学模型

声源项分布

由声源项云图可以得到结论：机油泵正常运转时，出口侧声源项压力较大；齿轮啮合时产生明显离散噪声，啮合位置源项声压较大。

声源项分布

5仿真价值

通过应用PumpLinx软件对变量泵进行数值仿真，可预测泵内流量、压力、扭矩、功率、脉动分析，判断泵性能优劣，评估机油泵性能是否符合设计要求，并对不符合要求的设计模型进行有针对性的改进，如调整弹簧参数，优化调整环结构等；通过预测其空化性能，判断泵内空化发生的条件，为工程师提供参考依据。PumpLinx作为专业的运动机械仿真软件，在其他软件几乎无法完成变排量泵数值仿真的情况下，可以快速实现对变量泵的流场预测，为工程师提供分析和优化依据。目前数值模拟技术在产品开发研究中扮演着与试验同等重要的角色。在泵设计阶段通过数值模拟技术的介入，可以带来以下几个方面的积极效果。

1）  数值模拟部分代替试验，减少研发成本。以往的产品设计流程基本依靠试验和工程师的经验，这对于工程师的成长和研发成本都是较大的考验。现代的产品设计研发中，数值模拟经常被用于进行试验前的方案选型。对设计人员的提出的新设计理念、优化参数，可以不必全都采用试验的方法进行验证，而是采用数值模拟软件进行预先的预测验证。通过数值模拟确定有限的试验方案，最后再采用试验来验证数值模拟结果的准确性。通过本软件不仅可以减少研发成本，对于一些极限工况，部分流场信息通过试验方法获取是根本不可能的，只能通过数值模拟手段。

2） 缩短产品设计周期。泵设计是一个不断改进、优化的过程。这就意味着从设计到试验，再到产品满足要求，中间会出现多次的反复，这样的设计流程通常跟不上型号的进度。试验方法不仅经费投入、人力物力投入巨大，而且通常设计周期较长。数值模拟可以在较短的时间内获得设计人员关心的参数，从而减少了试验设计的次数和时间，缩短产品上市时间。

3） 性能校核，由于某些不确定因素，对于同一个产品的多次试验工程师可能会得出不同的试验结果而无法判定试验数据的准确性，此时可利用PumpLinx对试验部件进行性能校核，从而确认试验数据的准确性。

4） 减振降噪，延长使用寿命， PumpLinx可监测泵内部某关键位置的压力波动，以获得泵的瞬态流场特性，进而改进泵的振动噪声特性。此外，PumpLinx可与专业噪声软件耦合进行流致噪声的联合仿真，优化部件及系统的噪声性能，分析泵内非定常流动、空化等原因引起的噪声问题。