對于包含各種運動機械的專業性CFD分析工具性能的不斷更新和進步，使得系統級分析的CFD計算得到越來越多的應用。下面給大家分享4個基于PumpLinx的三維系統級CFD仿真分析案例。

1、PumpLinx在4缸發動機潤滑系統仿真中的應用

德國大眾早在2011年即使用PumpLinx將汽車潤滑系統中的若干部件同時進行模擬，包含發動機水套、油冷器、機油泵、泄壓閥、4缸軸承油道、主油道和其他管道等部件。通過仿真分析從機油泵中泵出的滑油在不同支路中的流量配比情況，評價設計是否能夠保證發動機各個部件都得到有效的潤滑。對于某些高壓工況，控制閥門的配合情況以及空化效應對于系統的影響也得到了細致分析；對于主軸軸承和軸瓦間間隙處潤滑效果的模擬也取得了有益的結果。以下是部分過程圖片。

圖1 潤滑系統幾何結構

圖2 PumpLinx系統仿真模型

           

圖3  3D閥門的瞬時工作情況模擬

圖4 系統壓力分布

 

圖5系統空化體積分數分布

2、PumpLinx在16缸發動機潤滑系統仿真中的應用

該案例來自凱特比勒公司，如下圖所示，該16缸發動機潤滑系統由油泵、控壓閥，過濾器，冷卻器，主油道和連桿油膜等眾多部件組成。其網格總數600萬，計算時間為9小時每轉。

圖6  V-16發動機潤滑系統三維仿真計算模型

 

圖7  V-16發動機潤滑系統各部件的網格

 

圖8  V-16發動機潤滑系統整體網格

本系統級仿真采用瞬態計算，潤滑油的物性參數如下表所示。

表1  滑油物性

齒輪轉速采用恒定轉速，即1.33倍的發動機轉速；本案例中對于軸承變形也做了細致分析，由動力學分析獲得軸承的變形規律，在PumpLinx中作為已知條件進行輸入，以動網格進行描述。壓力調節滑閥的位移計算是根據流體與結構的相互受力平衡確定，閥芯質量是5kg，彈簧彈性系數是93800N/m，預緊力是2130N。部分計算結果圖片如下所示：

 

圖9  不同時刻主油道、連桿活塞油道和輸油道的壓力分布

 

圖10  V-16發動機潤滑系統空化體積分數分布

 

圖11  V-16發動機潤滑系統壓力分布（箭頭處是仿真結果與計算結果的對比點）

對監測數據進行無量綱分析，并與試驗數據進行對比可知，PumpLinx計算結果與試驗結果吻合度較高，可以有效指導該類型系統的設計優化。

 

表2  無量綱壓力值的仿真結果與試驗結果

3、PumpLinx在冷卻系統分析中的應用

本案例來自美國福特公司。該發動機冷卻系統由水泵、分流閥（節溫器）、水套、散熱器及管道等組成完整水路系統。建模時間約4小時，計算時間約24小時。

該冷卻系統對于節溫器的由于溫度變化，引起的熱脹冷縮過程也進行了真實分析。對于節溫器的分流作用，由于節溫器隨著溫度升高，節溫器內的石蠟開始融化，逐漸變為液體，體積增大頂開節溫器，使冷卻液流經散熱器和節溫器。PumpLinx通過對溫度場的分析和石蠟的密度隨溫度變化的影響進行分析描述，真實模擬冷卻系統的分流冷卻過程，最終獲得令人滿意的結果。

 

圖12 發動機冷卻系統分析

4、發動機油泵冷啟動分析

發動機機油在低溫環境下，機油會表現出復雜的流變行為，此時潤滑油粘度會大大增加，變成非牛頓流體狀態。此時如果油泵吸油困難則會對發動機發生不可逆轉的損害，造成發動機啟動困難。因此對于油泵的冷啟動自吸性能的分析顯得十分重要。

油泵作為容積式運動機械，進行CFD分析時需要構建結構網格并描述動網格運動，傳統CFD軟件難以完成。此外在低溫環境下油品粘度加大，不能以牛頓流體介質對待，油泵吸油過程存在氣液兩相，油泵是否能正常吸油需要利用多相流的分析手段進行分析，因此數值求解難度加大。

PumpLinx作為專業的運動機械CFD工具，內置有專業的泵模板可快速完成泵的結構網格劃分和動網格設置。同時PumpLinx內置有非牛流體模型和基于VOF的多相流分析模型可以較好地實現泵的自吸過程的分析。

 

圖13 油泵自吸模擬

 

圖14 油液高度隨時間變化對比結果

總結

PumpLinx作為專業的運動機械分析工具，不僅可以快速完成運動機械的單個部件分析，對于系統級的分析也能很好地適應，其前處理時間和計算求解時間均在可接受范圍內，可以在相對較短的時間內獲得豐富的數據結果指導設計。值得一提的是，上述系統級分析的案例對于計算機配置并沒有特別高的要求，大部分案例的計算均在下述配置的電腦上完成。

 

圖15 機器配置

文章來源：海基科技