1.必要性分析

随着计算机技术的发展,通过仿真方法虚拟再现设备的工作状态已成为各研究单位的主要研究手段。数值仿真可以给出设备正常工作时的各个指标参数,研究设备尺寸参数对性能的影响,亦可分析设备故障状态下的指标变化情况,对故障排除具有较大的指导意义。

对于由泵、阀、管道及其他流阻元件组成的系统级的数值分析,过去多采用一维流体系统的方法进行数值分析。一维流体数值分析的方法可以快速搭建系统模型,并迅速求解,获得系统中各主要位置的流量、压力、速度等结果,为系统分析提供参考依据,是设计人员的得力助手。然而随着人们对数值分析研究的深入,对数值计算结果的精度和可靠性提出了更高要求,同时对于数值计算可提取的结果信息也提出了更高要求。对于一维流体系统分析已不能完全满足设计人员的需要。其主要体现在:

●一维流体系统的分析计算需要依赖于组成系统的各个部件的性能参数的支撑。然而很多部件用户并没有参数支持,搜集参数的过程具有不确定性,必要时可能需要单独对部件进行性能分析,这就失去了一维分析的高效性的优势。

一维流体分析可以获得系统的宏观计算信息,然而对于设计人员来说,只获得主要位置的计算结果是往往不够的。无法观察系统某局部位置的详细流场分析,无法快速准确地判定系统故障所在,对于系统内部各组件之间的相互配合相互影响不能快速评估,也无法对系统内部详细的流动分析做出准确分析,这对于系统设计的准确性和稳定性来说都是不够的

一维流体系统分析的精确性很大程度上决定于部件参数的准确性和完备性,在某些情况下,对于某些特殊部件还需要做简化或类似处理,这对于计算结果的精度也有较大挑战。

综上所述,对于某些系统的流体分析已不能满足于单纯的一维系统分析,越来越多的研究人员开始着眼于三维系统级分析的研究。系统级的CFD分析由于并不需要部件性能参数的支撑,且可以获得详细准确的流场信息,捕捉系统中泵阀等部件之间的相互配合以及局部流场分布不合理等现象,既能指导部件级的优化,又能分析指导流体系统的性能改善,已成为发动机设计研发辅助方法的必然发展趋势。

2.技术难点分析

系统级的CFD分析虽然具有一维系统分析不可替代的优势,然而系统级三维CFD分析的技术难度使得该领域的研究发展缓慢,主要的原因有以下几点:

计算量过于庞大:组成系统的部件众多,以燃油系统为例,包括燃油离心泵、燃油齿轮泵、控制阀门、管道以及其他组成部件,整个系统模型庞大且复杂,网格数少则千万,多则上亿,一般的分析软件和硬件无法承受如此庞大的计算量。

组成系统的某些部件结构复杂,部件级的CFD分析难度不容小觑:某些组成部件如齿轮泵、阀门、活塞等均为容积式运动机械,对于单个部件的CFD分析在构建其结构网格和设置动网格模型时难度已经很大,系统分析时需要同时考虑所有组成部件,难度更大。

系统各部件之间相互配合,需要捕捉系统流场的瞬态变化:由于发动机组成系统的泵、阀门、活塞以及管道轴承等部件之间相互影响,阀门的开启关闭、泵的转速变化、轴承油道的不规则运动等都会对系统瞬态效应产生影响,进而影响系统的稳定性分析和评估。这对于计算的难度和精确度都提出了要求。

受系统部件的不同工作特性影响,需要对某些恶劣工况进行分析,难度加大:例如某些工况下系统内部可能发生空化,严重时可能使系统不能正常工作,涉及到空化的两相流分析,往往会引起CFD计算的收敛性和稳定性的问题。

某些系统级分析需要分析气液两相的情况:例如油泵的冷启动分析,变速箱的甩油分析、曲轴箱通风的气液两相分析等,均需要对系统进行VOF的两相流分析,这对于计算的难度和速度均提出了挑战。

3 解决方案

随着计算机技术的发展,在计算机软硬件的性能提升上都有了较大改观。计算机硬件的飞速发展为系统级CFD分析提供了可以实现的硬件条件。而针对于包含各种运动机械的专业性CFD分析工具性能的不断更新和进步,使得系统级分析的CFD计算得到越来越多的应用。本方案介绍的专业运动机械CFD工具PumpLinx即是系统级分析应用最多最广的一款分析软件。PumpLinx针对于系统级分析的优越性在于:

1) 丰富的运动机械模板:PumpLinx软件针对各类运动机械研发了对应的专业模板,模板将各运动机械的分析流程和规范内置到软件中,对于传统分析难度较大的容积泵、阀门、活塞等,均有模板功能可以自动划分网格并设置动网格,为系统分析模型的顺利搭建和设置保驾护航。

2) 高度自适应的网格功能:PumpLinx除针对各类运动机械有模板网格支持之外,对于系统的其他组件均可以采用其内置的基于二叉树的笛卡尔网格技术进行高质量的网格划分。这种网格技术相比与四面体网格数量较少、收敛性和稳定更好;其精度与六面体网格相当,其花费时间远远少于六面体网格。

3) 稳健的两相流分析模型:PumpLinx内置的全空化分析模型和VOF两相分析模型经过丰富的实例验证,其鲁棒性明显优于传统的CFD分析工具,在空化分析和VOF分析方面均有大量的实例应用。

4) 高效的求解功能:PumpLinx的求解器在传统的CFD求解器基础上进行了优化,相比与传统的CFD工具求解速度更快。结合其强大的网格技术,使得PumpLinx可以顺利进行系统级的CFD分析工作。目前PumpLinx在系统级分析领域已积累较多经验。

综上所述,PumpLinx已成为系统级CFD分析的不可或缺的软件工具。

4. PumpLinx系统级CFD分析应用介绍

4.1 PumpLinx在4缸发动机润滑系统仿真中的应用

德国大众早在2011年即使用PumpLinx将汽车润滑系统中的若干部件同时进行模拟,包含发动机水套、油冷器、机油泵、泄压阀、4缸轴承油道、主油道和其他管道等部件。通过仿真分析从机油泵中泵出的滑油在不同支路中的流量配比情况,评价设计是否能够保证发动机各个部件都得到有效的润滑。对于某些高压工况,控制阀门的配合情况以及空化效应对于系统的影响也得到了细致分析;对于主轴轴承和轴瓦间间隙处润滑效果的模拟也取得了有益的结果。以下是部分可分享的过程图片。

     

图4.1 润滑系统几何结构                               图4.2 PumpLinx系统仿真模型

         

图4.3  3D阀门的瞬时工作情况模拟

      

图4.4 系统压力分布

图4.5系统空化体积分数分布

4.2 PumpLinx在16缸发动机润滑系统仿真中的应用

该案例来自凯特比勒公司,如下图所示,该16缸发动机润滑系统由油泵、控压阀,过滤器,冷却器,主油道和连杆油膜等众多部件组成。其网格总数600万,计算时间为9小时每转。

图4.6  V-16发动机润滑系统三维仿真计算模型

图4.7  V-16发动机润滑系统各部件的网格

图4.8  V-16发动机润滑系统整体网格

本系统级仿真采用瞬态计算,润滑油的物性参数如下表所示。

表4.1  滑油物性

齿轮转速采用恒定转速,即1.33倍的发动机转速;本案例中对于轴承变形也做了细致分析,由动力学分析获得轴承的变形规律,在PumpLinx中作为已知条件进行输入,以动网格进行描述。压力调节滑阀的位移计算是根据流体与结构的相互受力平衡确定,阀芯质量是5kg,弹簧弹性系数是93800N/m,预紧力是2130N。部分计算结果图片如下所示:

图4.9  不同时刻主油道、连杆活塞油道和输油道的压力分布

图4.10  V-16发动机润滑系统空化体积分数分布

图4.11  V-16发动机润滑系统压力分布(箭头处是仿真结果与计算结果的对比点)

对监测数据进行无量纲分析,并与试验数据进行对比可知,PumpLinx计算结果与试验结果吻合度较高,可以有效指导该类型系统的设计优化。

表4.2  无量纲压力值的仿真结果与试验结果

4.3 PumpLinx在冷却系统分析中的应用

本案例来自美国福特公司。该发动机冷却系统由水泵、分流阀(节温器)、水套、散热器及管道等组成完整水路系统。建模时间约4小时,计算时间约24小时。

该冷却系统对于节温器的由于温度变化,引起的热胀冷缩过程也进行了真实分析。对于节温器的分流作用,由于节温器随着温度升高,节温器内的石蜡开始融化,逐渐变为液体,体积增大顶开节温器,使冷却液流经散热器和节温器。PumpLinx通过对温度场的分析和石蜡的密度随温度变化的影响进行分析描述,真实模拟冷却系统的分流冷却过程,最终获得令人满意的结果。

图4.12 发动机冷却系统分析

4.4 发动机油泵冷启动分析

发动机机油在低温环境下,机油会表现出复杂的流变行为,此时润滑油粘度会大大增加,变成非牛顿流体状态。此时如果油泵吸油困难则会对发动机发生不可逆转的损害,造成发动机启动困难。因此对于油泵的冷启动自吸性能的分析显得十分重要。

油泵作为容积式运动机械,进行CFD分析时需要构建结构网格并描述动网格运动,传统CFD软件难以完成。此外在低温环境下油品粘度加大,不能以牛顿流体介质对待,油泵吸油过程存在气液两相,油泵是否能正常吸油需要利用多相流的分析手段进行分析,因此数值求解难度加大。

PumpLinx作为专业的运动机械CFD工具,内置有专业的泵模板可快速完成泵的结构网格划分和动网格设置。同时PumpLinx内置有非牛流体模型和基于VOF的多相流分析模型可以较好地实现泵的自吸过程的分析。

图4.17 油泵自吸模拟

图4.18 油液高度随时间变化对比结果

5.小结

PumpLinx作为专业的运动机械分析工具,不仅可以快速完成运动机械的单个部件分析,对于系统级的分析也能很好地适应,其前处理时间和计算求解时间均在可接受范围内,可以在相对较短的时间内获得丰富的数据结果指导设计。值得一提的是,上述系统级分析的案例对于计算机配置并没有特别高的要求,大部分案例的计算均在下述配置的电脑上完成。

图5.1 机器配置

附1. PumpLinx公司及软件介绍

公司介绍

PumpLinx软件是美国Simerics公司的产品。Simerics是一家美国的动力学软件/咨询公司,总部位于美国阿拉巴马州亨茨威尔市,它的使命是通过高效率、高精度的CFD仿真工具来支持您公司的研发。Simerics的团队由科学家和工程师构成,他们的核心成员早在1980年就是CFD软件开发和应用方面的先驱者。将他们的知识和经验与先进的计算物理、计算几何和软件工程相结合,给我们的客户提供了新一代的仿真工具。Simerics在CFD软件开发上坚持走面向企业用户的专业化道路,因此在汽车、航空、船舶、泵及工程机械行业都得到广泛应用。目前UnitedTechnology、Goodrich、HamiltonSundstrand等航空配件公司以及美国的3大汽车公司GM、Ford、ChryslerMagna、Stackpole等汽车配件厂,都是Simerics的正式客户。在国内,一汽富奥、湖南机油泵、北方发动机研究所、航空1O3厂、5O3厂、西安航空动力控制公司、西安精密机械研究所、佳木斯电机、贵州红林机械、江苏大学、北京工业大学等单位均是PumpLinx的正式用户。

PumpLinx软件介绍

PumpLinx是美国Simerics公司特别针对各种运动机械的流体力学模拟计算开发的CFD软件。PumpLinx的核心部分是一个功能强大的CFD求解器,可求解包括可压缩/不可压缩流体流动的传热、传质、湍流、空化、自由液面等物理现象。在求解器基础上,PumpLinx提供了多种运动机械模板,用于完成不同运动机械的网格生成、参数设置、非定常计算中动网格设置以及后处理数据自动采集等多项专用功能。它的目标是成为工程师最有力的数值模拟工具,帮助工程师更好的设计泵、阀、压缩机及其相关的流体系统。

PumpLinx专业的运动机械模板

PumpLinx作为专业的运动机械CFD仿真软件,具备众多的专业运动机械模板,可快速完成不同运动机械模型设置。模板将运动机械CFD模拟的流程和规范内置到PumpLinx软件中,使CFD模拟的设置简单化,同时保证了计算结果的可靠性。模板的主要特点和功能如下:

覆盖绝大多数的运动机械,如不同结构类型的泵阀以及其他运动机械如滚动轴承等;

可通过模板化的操作步骤快速生成各种容积泵(如外啮合齿轮/摆线内齿轮/滑片泵等)运动区域的高质量网格,大大降低前处理的技术难度;

可指导用户设置不同类型运动机械仿真的动网格、物理模型和边界条件,使CFD仿真流程化、简单化、精确化;

可针对不同运动机械仿真的关注点自动设置合理的后处理结果输出。

PumpLinx可以求解比其它商用软件更多类型的运动机械,PumpLinx当前包含但不限于以下设计模板:

图3.1 PumpLinx类型众多的泵、阀模板

PumpLinx独特的专有网格技术

高度自适应的二叉树笛卡尔网格技术:PumpLinx包括一个自动化的笛卡尔网格生成器,它可以便利的生成CFD求解器可以高效求解的高质量网格。这个网格生成器采用专有的几何等角自适应二元树(geometry Conformal Adaptative Binary-tree)算法,既CAB算法,CAB算法在由封闭表面构成的体域生成迪卡尔网格。在靠近几何边界,CAB自动调整网格来适应几何曲面和几何边界线。为了适应关键性的几何特征,CAB通过不断的分裂网格来自动的调整网格大小,这是利用最小的网格分辨细节特征的最有效方法。

图3.2 PumpLinx通用笛卡尔网格技术

PumpLinx的通用笛卡尔网格技术特点如下:

自动、快速的网格生成:用户选择一组封闭表面,点击一个按钮,网格完全自动的生成。对于大多数工程问题,可以在几分钟之内完成网格划分。

精确的表达原始几何:创建与曲面形状相匹配的网格,可以保证准确表达重要几何特征。CAB也可以自动的增加网格密度来更好的分辨几何特征,用户可以直接设置曲面的网格密度来直接控制网格质量。

高质量/高效率的网格:CAB通常生成更适合于高精度算法的迪卡尔六面体网格。对于同样的精度水平,与四面体网格相比数量更少。

能够容忍“烂”几何:许多CAD曲面并不是完全贴合。它们也许有小缝隙,或者是没有专门缝合在一起。如果几何包含这样的“烂”特征,许多网格生成算法会失败,因此在生成之前,几何必须清理干净。CAB算法在一定程度上可以容忍“烂”几何。对于多数情况,CAB基于“烂”几何可以生成合理的网格,而精度损失是可以忽略的,从而获得有意义的模拟结果。PumpLinx运动机械模板网格技术:针对不同的运动机械模型,提供了一个模板化的网格生成器,通过一键式的操作专门生成运动机械转子部分的结构网格,如齿轮箱啮合齿轮的结构网格。

PumpLinx通用模板网格技术:PumpLinx内置通用的网格模板技术,可参数化生成棱柱体、六面体、圆柱体等的结构化网格,特别适用于某些特定结构的几何模型网格生成,例如密封间隙的网格生成,在生成方式、操作步骤和网格精度上都更简洁、快速和优良。由此可见,PumpLinx网格生成方式多样,技术优良,针对不同的结构特征可采用不同的网格生成方法,从而有效地提高网格生成速度、降低网格数量、提高网格质量。

        

图3.3 PumpLinx运动机械网格模板技术                 图3.4 PumpLinx通用模板网格技术

PumpLinx稳健而精确的多相流技术

全空化模型

PumpLinx拥有工业界独一无二的空化(汽蚀)模型,该模型基于A shok.Singhal 和Jiang Yu等人提出的全空化模型。全空化模型是基于两相流的模型思想,用Rayleigh-plesset方程求解气泡变化的动态过程,引入了混合密度的概念,并综合考虑了液体的可压缩性以及蒸汽的蒸发和凝结过程。对于非凝结气,PumpLinx也提供了不同的子模型供用户选择,如固定气体质量分数、可变气体质量分数等。

PumpLinx空化模型的特别之处在于对特别困难的问题,在其它软件都失败的情况下,PumpLinx依然可以收敛。除此之外,该空化模型不但能准确地预测汽蚀对效率的影响,还可以准确地预测汽蚀损害可能发生的位置,当空化效应不可忽略时,这一能力对于许多问题都是很重要的。

VOF多相流模型

PumpLinx VOF多相流数值模型技术特点如下:严格遵守质量守恒及不可压缩项的体积守恒,可考虑任意项的可压/不可压特性,可采用隐式或显式时间格式,具有高分辨率的交互面捕捉方法,内置表面张力模型和壁面接触模型。目前PumpLinx VOF模型已成功应用于齿轮箱油液润滑,油泵自吸,溢流堰流场仿真,溃坝以及搅拌器内流场仿真等验证等。结合PumpLinx的具体应用,PumpLinx VOF模型具有如下优势:

☆可处理具有复杂结构的模型 

可考虑微米间隙问题

具备多种类型的网格技术,可针对不同模型采用不同方法划分网格

先进的移动/华东/变形网格之间的交互面技术(MGI)

可应用于多种类型的运动机械和阀门

可适用于大范围的动压改变

与实验值具有良好的吻合性

合理的计算时间,对于复杂问题亦是如此

具有良好的收敛性和稳定性。

PumpLinx高效的求解器

PumpLinx求解器是在传统的CFD求解器基础上进行开发和改进,将其最新的数值技术与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。

作为专业的运动机械CFD仿真工具,PumpLinx可用于分析以下工程流体问题:

内流/外流

层流/湍流

多组分/多相流动;

VOF即自由液面流动;

可压/不可压

亚音速/超音速

稳态/瞬态

导热/对流传热

多孔介质

浮力驱动流(重力效应)

旋转/平动等多自由度运动问题

PumpLinx支持多核并行计算,以显著提高其计算速度,PumpLinx结合强大的网格技术、快速的求解功能和并行求解能力,使得PumpLinx可以有效实现三维系统级的CFD仿真,如PumpLinx已完成曲轴箱通风系统仿真、润滑系统仿真(包含油泵、阀门、管道及其他部件)、冷却系统仿真等,实现了真正意义上的三维系统级仿真,并有效地为客户解决了实际问题。

可靠的计算结果

PumpLinx可以精确模拟包括各类运动机械在内的空化及超空化流动问题。该空化模型已经被大量的工程题目所验证,如下图即为不同流体机械汽蚀损害区域模拟与试验的对比情况。

图3.5 PumpLinx汽蚀损害模拟区域与试验的对比

附2. PumpLinx典型用户

汽车制造商:

Chrysler:克莱斯勒     Ford:福特汽车              GM:通用汽车            Hyundai:现代汽车

Toyota:丰田汽车       Volkswagen:大众汽车   重庆长安汽研院         一汽汽研院       江铃汽车

汽车零部件供应商:

北方发动机研究所:我国唯一的特种车辆发动机专业研究所;

北方车辆研究所:中国兵器工业集团公司下属的综合性大型科研基地、特种车辆技术开发中心和试验检测中心,主要从事特种车辆整车及部件的研究、设计、试验与试制等;

辽源一汽富奥泵业有限公司:国内最早、最大的专业生产汽车泵类产品企业;

湖南机油泵有限公司:全国机油泵行业标准编制单位,机油泵产品国内市场占有率50%以上,并大量出口美国、意大利、英国、日本等国;

西峡汽车水泵:国内生产汽车配件的重要基地;

Denso:日本株式会社电装,世界屈指可数的汽车零部件生产厂家之一,在日本排名第一;

Ixetic:德国汽车零部件制造商;

Magna STT:加拿大麦格纳为世界第三大汽车零部件供应商,为奔驰、宝马、奥迪、大众、通用、福特、戴克、标致、雪铁龙等世界著名汽车品牌提供零部件和售后服务;

Magna Powertrain:麦格纳动力机驱动系统,为汽车、卡车、SUV和其他各类地面车辆设计并制造动力系统;

Magna Korea:麦格纳韩国分公司;

Pierburg:德国皮尔堡公司,全球顶尖的汽车发动机零部件制造企业。

泵及工程机械制造商:

东方电机股份有限公司:主要研制水轮发电机组、汽轮发电机、核能发电机、风力发电机、交流电机、直流电机、特种电机以及电站控制设备、电站辅机设备等,是国内发电设备制造大型骨干企业之一;

佳木斯电机:国内电机制造商,采用PumpLinx自主研发专用泵与风机;

船舶705所:西安精密机械研究所,水下航行器及船用泵阀研发单位;

船舶704所:船舶特辅机电设备与系统的应用研究、设计和开发总成单位;

霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司:《财富》百强公司,业务涉及航空产品、汽车产品、涡轮增压器以及特殊材料等;

格兰富:全球泵业的领导者之一,年生产量近1600万台,用于工业、供水及污水处理的离心泵和计量泵是其主要的产品;

格力电器:全球最大的集研发、生产、销售、服务于一体的国有控股家电企业;

三花中央研究院:全球最大的空调、汽车空调制冷零部件企业之一;

Bosch Rexroth: 博世-力士乐,全球领先的传动与控制专家,为工业及工厂自动化、行走机械以及可再生能源等领域的客户提供传动、控制与移动解决方案;

Caterpillar:美国卡特彼勒公司,世界上最大的土方工程机械和建筑机械的生产商,也是全世界柴油机、天然气发动机和工业用燃气涡轮机的主要供应商

Eaton:美国伊顿公司,全球领先的工业产品制造商之一;

FLOWSERVE:全球排名第二的泵、阀制造商,已收购全球泵业第五强的IDP公司,与PumpLinx原厂商合作密切,并联名发表学术论文;

Meggair:全球领先的工程机械制造公司;

Sauer-Danfoss:丹麦萨澳-丹佛斯公司,全球领先的行走机械液压解决方案的综合供应商;

Parker Hannifin:美国派克汉尼芬公司,提供流体传动元器件及系统;

Nichols Portland:美国派克汉尼芬公司的下属公司;

Tuthill:美国泰悉尔公司,拥有百年历史的跨国集团,业务范围涵盖真空系统和风机、介质泵等;

Vaccon:美国威康,世界著名真空产品专业厂商,主要产品有:微型真空泵、高真空泵、可变真空泵、超微型真空泵等。

航空航天领域:

西安航空动力控制工程有限责任公司:中国航空发动机燃油控制系统、飞机液压装置及高技术机电产品研制、试验和生产单位;

中国航空工业豫北机械厂:国内航空领域泵类部件设计单位;

中航工业贵州红林机械有限公司:我国航空工业领域发动机控制系统及液压机械控制系统、汽车、摩托车零部件研制、试验和生产单位;

北京长空机械厂:液压动力调整装置居国内领先地位;

Hamilton Sundstrand:美国汉胜公司,专营宇航系统、航空机载设备和工业产品等,其客户包括NASA等;

Parker Hannifin:美国派克汉尼芬公司,下设航空航天、汽车、流体连接件、运动控制件、密封件、过滤器、仪表仪器、环境与工业控制等八大产品集团;

Rolls Royce:罗尔斯•罗伊斯公司;

Woodward:德国伍德沃德公司,提供飞机、发电设备等各类系统及零部件。

研究机构及其他:

福州大学

上海工程技术大学

江苏大学

北京工业大学

上海核工程研究设计院

江南大学

中国计量学院

哈尔滨工业大学

哈尔滨工程大学

山东电力设备有限公司

中国核电工程研究院

安徽新力电业科技咨询有限责任公司

上海电力学院

浙江理工大学

Aachen IFAS: 德国亚琛流体动力和控制学会

Politecnico di Torino:都灵理工大学,意大利最好的理工大学,在欧洲理工科大学排名第五

University of Parma:帕尔玛大学,意大利最古老的大学之一

University of Wisconsin:威斯康星大学,美国最顶尖的三所公立大学之一