泵和壓縮機(jī)的特征通常是復(fù)雜的幾何形狀、運(yùn)動(dòng)和物理現(xiàn)象，例如氣蝕、壓力脈動(dòng)和振動(dòng)，所有這些都會(huì)影響設(shè)備的效率和可靠性。

考慮這些因素對于設(shè)計(jì)最佳機(jī)器至關(guān)重要，而計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是可以簡化流程的工具。CFD可以預(yù)測給定系統(tǒng)中的流體行為，并且與構(gòu)建原型和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量相比，可以幫助用戶以較低的成本優(yōu)化設(shè)計(jì)。

• 什么是CFD？

CFD是解決和分析涉及流體流動(dòng)的問題的一種數(shù)值方法。設(shè)置CFD模擬的典型工作流程始于幾何圖形的CAD模型。然后將模擬域劃分為離散的計(jì)算單元，稱為網(wǎng)格。

網(wǎng)格的屬性（單元的大小、形狀和位置）將決定求解的精度。

因此，正確設(shè)置網(wǎng)格對于獲得有用的結(jié)果至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，網(wǎng)格劃分是由CFD工程師手動(dòng)執(zhí)行的，但是該過程可能很費(fèi)力，需要幾天甚至幾周的時(shí)間，特別是對于幾何形狀不斷變化的應(yīng)用（例如泵和壓縮機(jī)）。如今，先進(jìn)的CFD代碼提供了自動(dòng)網(wǎng)格生成功能，它消除了這一耗時(shí)的步驟，并使用算法來創(chuàng)建針對特定情況進(jìn)行了優(yōu)化的網(wǎng)格。

一旦創(chuàng)建了網(wǎng)格，就選擇了流體運(yùn)動(dòng)、湍流、熱傳遞等相關(guān)的物理模型，并定義了邊界條件。在仿真過程中，在每個(gè)時(shí)間步迭代求解控制方程。某些CFD代碼提供的功能可在整個(gè)仿真過程中調(diào)整計(jì)算網(wǎng)格，以在用戶需要它們的位置和位置添加單元以捕獲復(fù)雜的物理現(xiàn)象。

然后可以使用后處理軟件查看和分析仿真結(jié)果。

• 為何用CFD？
  

CFD使工程師可以在運(yùn)行過程中“觀察”泵或壓縮機(jī)內(nèi)部，從而可以深入了解正在發(fā)生的物理過程。CFD通常采用多物理場方法，使用戶能夠分析重要現(xiàn)象，例如流固耦合、氣蝕和熱膨脹。了解流體運(yùn)動(dòng)與泵或壓縮機(jī)中閥門和其他運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)之間的相互作用至關(guān)重要。流體-結(jié)構(gòu)相互作用建模使用戶可以準(zhǔn)確模擬流體和固體組分之間的真實(shí)相互作用。

空化是另一個(gè)要分析的重要現(xiàn)象，因?yàn)樗鼤?huì)嚴(yán)重?fù)p壞機(jī)器。多相建模捕獲了液相和氣相之間的相互作用和過渡，使用戶可以預(yù)測空化的發(fā)生并確定如何修改設(shè)計(jì)以避免出現(xiàn)空化。

對于像螺桿壓縮機(jī)這樣的機(jī)器，可以使用傳熱模型來分析熱膨脹對間隙尺寸的影響。通過CFD獲得的知識(shí)可用于改進(jìn)泵/壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)。

除了研究特定現(xiàn)象外，CFD仿真還提供虛擬測量，使用戶可以在構(gòu)建昂貴的物理原型之前在任何時(shí)候分析泵或壓縮機(jī)的整體性能。這不僅節(jié)省了時(shí)間和金錢，而且用戶還可以測試更多的設(shè)計(jì)。通過自動(dòng)生成網(wǎng)格，可以輕松地為各種幾何形狀設(shè)置仿真，并且該過程的結(jié)果是縮短了求解時(shí)間。

一些CFD軟件包提供專門用于設(shè)計(jì)優(yōu)化研究的工具。例如，遺傳算法優(yōu)化是一種調(diào)用“適者生存”方法來有效優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)。這些工具可以加快過程。

總體而言，將CFD集成到開發(fā)工作流程中可以使用戶創(chuàng)建更好的產(chǎn)品并將其更快地推向市場，從而在競爭激烈的市場中占據(jù)優(yōu)勢。

CFD方法論已針對多種類型的泵和壓縮機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證。這是兩個(gè)示例：擺線泵和渦旋壓縮機(jī)。

• 擺線泵

擺線轉(zhuǎn)子泵通常用于液壓馬達(dá)，由殼體內(nèi)的一個(gè)內(nèi)齒輪和一個(gè)外齒輪的偏心齒輪轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子形成密封腔，隨著流體的泵入，密封腔的體積和形狀會(huì)發(fā)生變化，重要的是要保持盡可能小的間隙，以最大程度地減少密封管線上的泄漏損失。

為了設(shè)計(jì)有效的擺線泵，用戶必須準(zhǔn)確地對密封建模，并且有幾種CFD方法可以實(shí)現(xiàn)這一目的。一種選擇是完全封閉密封，這將加快仿真速度，但是這種方法不能捕獲物理系統(tǒng)中發(fā)生的泄漏流。

可以選擇通過添加足夠密度的單元來解決間隙中的流動(dòng)。此選項(xiàng)是準(zhǔn)確的，但需要更多時(shí)間和計(jì)算資源。另一種方法是使用間隙模型，該模型在間隙中需要較少的單元，并在計(jì)算成本和完全解決泄漏流的準(zhǔn)確性之間取得平衡。

在此示例中，進(jìn)行了CFD研究，以研究擺線泵中不同速度和壓力下不同游隙值對油流量的影響。

圖像2顯示了特定游隙值的結(jié)果，每行代表不同的速度。在特定的點(diǎn)上，氣蝕效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致測得的油流量值下降。這項(xiàng)特殊研究的目的不是預(yù)測氣穴現(xiàn)象，因此模擬結(jié)果在5 bar處停止。

但是請注意，CFD可以使用適當(dāng)?shù)哪Ｐ皖A(yù)測氣蝕現(xiàn)象。

在本研究中，圖像2中的CFD結(jié)果（藍(lán)色圓圈）通常與測量值（黑色線）非常吻合。

• 渦旋壓縮機(jī)

降低噪音和提高效率是渦旋壓縮機(jī)的兩個(gè)主要設(shè)計(jì)重點(diǎn)，渦旋壓縮機(jī)通常在制冷應(yīng)用中使用。

重要的是研究改變幾何形狀如何影響壓縮機(jī)效率和脈動(dòng)水平。渦旋壓縮機(jī)的幾何形狀很復(fù)雜，此外，CFD模型必須考慮閥門的動(dòng)態(tài)特性。

為了模擬諸如渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)幾何形狀，某些CFD代碼依賴于隨幾何形狀運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)格。但是，移動(dòng)的網(wǎng)格會(huì)引入數(shù)值粘度偽影，從而降低結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在此示例中，使用了具有修改后的切孔策略的固定網(wǎng)格。固定網(wǎng)格具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，不會(huì)引入與網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)有關(guān)的數(shù)值擴(kuò)散。此外，切割單元方法完美地表示了基礎(chǔ)幾何形狀，并允許邊界運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保留了質(zhì)量，動(dòng)量，能量和種類。

圖4顯示了整體質(zhì)量流量的結(jié)果，這是確定渦旋壓縮機(jī)CFD的關(guān)鍵參數(shù)，是決定壓縮機(jī)的冷卻能力和效率的關(guān)鍵參數(shù)。1CFD模型與實(shí)測數(shù)據(jù)非常吻合。

高保真的三維CFD研究對于設(shè)計(jì)和優(yōu)化泵和壓縮機(jī)非常有價(jià)值。過去，運(yùn)行CFD模擬需要專門的培訓(xùn)和較長的等待時(shí)間才能獲得結(jié)果。

如今，CFD軟件包包括圖形用戶界面，可引導(dǎo)用戶完成設(shè)置仿真過程的過程，而所需的培訓(xùn)最少。此外，改進(jìn)的硬件和高性能計(jì)算的引入減少了仿真運(yùn)行時(shí)間，為設(shè)計(jì)研究提供了快速周轉(zhuǎn)的方法?！就辍?/p>

文章來源：興隆機(jī)電