1.背景概述

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)輸送流量大、壓力高、溫度高和高腐蝕介質(zhì)泵的需求越來越多。隔膜泵是集活塞泵和壓力泵堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，克服活塞泵密封件易磨損等缺點(diǎn)而發(fā)展起來的一種理想的往復(fù)式泵,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以高效、可靠地輸送具有化學(xué)和機(jī)械侵蝕性、濃度各異的流體介質(zhì)的長(zhǎng)距離高揚(yáng)程的輸送。

隔膜泵工作時(shí)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的運(yùn)動(dòng)通過液缸內(nèi)的工作液/氣體而傳到隔膜，使隔膜來回鼓動(dòng)。由于隔膜的變形特征，使得在進(jìn)行隔膜泵的流體仿真時(shí)難以對(duì)隔膜的容腔變化運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定義，一般來說需要考慮流固雙向耦合的方法才可以較好的描述隔膜泵的運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)。鑒于雙向流固耦合的難度和代價(jià)太高，因此基于數(shù)值仿真的技術(shù)探討較少。

今天小編介紹一種簡(jiǎn)化模型的處理方法，既可以獲得較為合理的結(jié)果，同時(shí)又可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得理想的可靠的計(jì)算結(jié)果。

2.隔膜泵工作原理

隔膜泵是容積泵中較為特殊的一種形式。它是依靠隔膜片的來回鼓動(dòng)改變工作室容積從而吸入和排出流體的。當(dāng)隔膜片向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一邊運(yùn)動(dòng)，泵缸內(nèi)工作時(shí)為負(fù)壓而吸入流體，當(dāng)隔膜片向另一邊運(yùn)動(dòng)時(shí)，則排出流體。

▲隔膜泵工作原理動(dòng)畫

• 需要模擬隔膜泵腔由于膜片變形引起的容積變化，涉及到腔內(nèi)壓力與隔膜變形的雙向交互作用，網(wǎng)格建立和動(dòng)網(wǎng)格描述均比較困難。
  
  
• 隔膜泵進(jìn)出口一般配有單向閥，需要建立泵閥聯(lián)合的仿真模型。閥門在建立瞬態(tài)流場(chǎng)時(shí)需要建立動(dòng)網(wǎng)格和流固耦合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力平衡方程，這部分對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量（避免負(fù)網(wǎng)格）和動(dòng)力學(xué)模型建立的準(zhǔn)確性要求較高。
  
  
• 閥門結(jié)構(gòu)不同，部分單向閥（如球閥）需要考慮多自由度運(yùn)動(dòng)的特征，對(duì)于網(wǎng)格的要求和動(dòng)力學(xué)模型建立的要求更高。 
  
  
• 在計(jì)算模型方面，液動(dòng)隔膜泵往往需要模擬泵內(nèi)的空化效應(yīng)，這對(duì)計(jì)算模型的收斂性和魯棒性均提出了要求。部分隔膜泵為雙泵模型，結(jié)合單向閥的進(jìn)出匹配性特征需要評(píng)估，在建立CFD模型時(shí)網(wǎng)格數(shù)量、時(shí)間步長(zhǎng)等均對(duì)求解器的效率提出了要求。

• 根據(jù)已知數(shù)據(jù)對(duì)泵腔的變形運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)定義，例如可以根據(jù)已知的周期、最大位移、最小位移，變形規(guī)律等以二次開發(fā)的形式，將隔膜泵腔隨時(shí)間變化的規(guī)律預(yù)定義。對(duì)于部分變形比較規(guī)律隔膜泵而言，該方法也可以獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果；
  
  
• 對(duì)于泵腔變形規(guī)律比較大的情況，也可以通過結(jié)構(gòu)變形計(jì)算獲得泵腔變形的位移數(shù)據(jù)，在SimericsMP+中通過插值定義即可。當(dāng)然如果有試驗(yàn)測(cè)得的壓力-變形位移數(shù)據(jù)，或是時(shí)間-變形位移數(shù)據(jù)，也可以通過插值方法描述更準(zhǔn)確的泵腔流體運(yùn)動(dòng)；
  
  
• 對(duì)于進(jìn)出口閥門運(yùn)動(dòng)的模擬，則采用SimericsMP+的閥模板進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建，通過調(diào)用自由度模型構(gòu)建閥門運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，閥門建模全過程均無需二次開發(fā)，且可以有效避免閥門運(yùn)動(dòng)的負(fù)網(wǎng)格問題、支持閥門全關(guān)模擬、并確保動(dòng)力學(xué)模型建立的準(zhǔn)確性。一般來說一個(gè)閥門模型對(duì)應(yīng)一個(gè)自由度模型，SimericsMP+可以支持調(diào)用多個(gè)閥模板。
  
  
• SimericsMP+最新版本可支持球閥多自由度的仿真分析。

• 氣動(dòng)隔膜泵調(diào)用SimericsMP+的湍流模型，采用理想氣體模擬求解即可。液動(dòng)隔膜泵一般需要調(diào)用湍流模型和全空化數(shù)值分析模型進(jìn)行求解。

• 泵內(nèi)腔運(yùn)動(dòng)通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，通過已知的運(yùn)動(dòng)規(guī)律定義泵內(nèi)腔運(yùn)動(dòng)。如下圖所示，由于本案例中泵腔的容積變形較為規(guī)律，其變形區(qū)域基本位于黃色的三角區(qū)域中，因此可以利用二次開發(fā)的方式，結(jié)合活塞的周期變化特性，定義該部分的動(dòng)網(wǎng)格。對(duì)于變形較大的情況，則可以考慮采用試驗(yàn)或結(jié)構(gòu)仿真獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義。
  
  
• 本模型為雙泵模型，進(jìn)出口有4個(gè)閥門，因此調(diào)用4個(gè)閥模板和4個(gè)自由度模型，通過自由度模型自動(dòng)構(gòu)建閥門運(yùn)動(dòng)的常微分方程，模擬閥門的運(yùn)動(dòng)特性。

• 湍流模型
• 全空化模型
  
  

3.可以利用試驗(yàn)或結(jié)構(gòu)仿真獲得更精確的隔膜變形數(shù)據(jù)，建立更精確的分析模型，助力隔膜泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文章來源：海基科技