葉片泵空化流動模擬的案例
仿真案例｜葉片泵空化流動模擬實驗
翻譯：上海安世亞太
前言
靜液壓泵在當今的汽車技術中無所不在，在發動機、變速箱或轉向系統中維持供油。觀察到輸油量增加的趨勢時，空化的物理現象就會對泵的抽吸流量設定一個自然的極限，這個流量極限的預測對汽車供應商行業是一個挑戰。
本文主要研究葉片泵內空化受限流動的數值模擬方法。通過一個2D可行性研究，論證了非定常可壓縮流動、動網格和利用FLUENT中的空化模型等多種CFD技術的結合。對3D水力模擬的發展進行了研究，并討論了3D液壓模擬與1D液壓模擬的關聯。
理論與假設
靜液壓泵是容積泵。泵運行時要抵抗液壓阻力（即流體消耗裝置），會使用幾何位移原理將流體從低壓級（泵的吸入側）輸送到高壓級（泵的壓力側）。泵的基本部件由幾個腔室或葉片單元組成，這些腔室或葉片單元通過機械連接在一個旋轉軸上，并在旋轉軸旋轉的同時周期性地改變其體積。流體輸運的整個過程對于每個腔室來說都可以看作是一個熱力循環。在下文中，我們會假定工作介質是密度為U的幾乎不可壓縮的液體。在吸入側，腔室通過開口孔與泵的吸入通道接觸。在腔體體積膨脹的同時，腔體內的壓力略有下降。這就產生一個壓力梯度，該壓力梯度引起一個流場，該流場用液體填充腔室。同時避免了腔室中出現進一步壓降。在準穩態條件下,由伯努利方程（Bernoulli’s equation）可以很容易地推導出進入室內流體的速度v與吸氣通道內壓力p0與室壓p之間的壓降?p=p0-p之間的關系式：等式（1）
假設橫截面A通常是由時間決定的，進入腔內的體積流量為vA。在單元完全充滿的情況下，體積流量vA精確地補償了單元的體積變化率，等式（2）：
體積變化率的階為Vmaxn，其中n表示泵速度（通常以每分鐘轉數-rpm測量），Vmax是最大單元體積。
展開 改良楔形葉片旋轉空化器水動力學特性數值模擬分析
超空泡形態穩定，可以廣泛應用于工程實際：產生的超空泡覆蓋于航行體表面，將與航行體表面接觸的液體變為密度和黏度小得多的氣體，從而實現水下航行體的減阻[3]；超空泡表面高效的傳熱傳質過程可以應用于海水淡化領域，例如 Likhachev 等[4-5] 應用自然超空泡原理提出了一種新型的海水淡化技術，即利用旋轉空化器形成并維持穩定的超空泡形態，通過對從超空泡內抽取的蒸汽進行冷凝而得到淡水。
在針對超空泡的實驗研究中，超空泡一般通過高速射彈（物體在靜水中運動）或是高速來流沖擊（水流沖擊靜止物體）這 2 種方式來產生[6]，前者往往需要有很高的射彈速度，穩定性難以控制且運動參數測量困難[7]，后者則需要借助龐大的水洞試驗系統[8]。旋轉空化器是一種通過高速旋轉的葉片在水中產生超空泡以滿足不同工程實際應用的裝置，可以應用于海水淡化、污水處理等領域，相比前面的 2 種方式，旋轉空化器可以在較小的受限空間內持續產生穩定的超空泡，其系統體積小、易于控制和利用[4]。本研究團隊曾針對不同葉片數的旋轉空化器開展研究，例如，曾針對四葉片楔形葉片旋轉空化器進行數值仿真，并研究了減速板對旋轉空化器的作用[9-10]；針對雙葉片空化器的核心部件—楔形葉片進行改型設計，通過對比 2 種改型葉片和原型葉片的性能，從空化器形成的空泡尺寸和空化強度的角度出發，確定了優化性能的改良方案[11]。為了確定葉片改良帶來的影響，本文擬通過三維定常數值模擬計算對這一改良楔形葉片旋轉空化器的水動力學特性開展深入研究，并與原型葉片的水動力學特性進行對比分析，得到不同轉速下葉型對旋轉空化器水動力學特性的影響規律，以為旋轉空化器的設計和應用提供參考。
1 計算模型
圖 1 所示為本文所研究旋轉空化器楔形葉片的原始葉型和改良葉型的橫截面。
展開 FLUENT離心泵流動模擬
本教程演示了如何使用滑動網格法模擬離心泵內部流場情況。
1 啟動Workbench并建立分析項目
（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 19.2→Workbench命令，啟動Workbench 19.2，進入ANSYS Workbench 19.2界面。
（2）雙擊主界面Toolbox（工具箱）中的Analysis systems→Fluid Flow（Fluent）選項，即可在項目管理區創建分析項目A。
2 導入幾何體
（1）在A2欄的Geometry上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Import Geometry→Browse命令，此時會彈出“打開”對話框。
（2）在彈出的“打開”對話框中選擇文件路徑，導入幾何體文件。
3 劃分網格
（1）雙擊A3欄Mesh項，進入Meshing界面，在該界面下進行模型的網格劃分。
（2）分別右鍵選擇泵體的出入口，在彈出的快捷菜單中選擇Create Named Selection，彈出Selection Name對話框，輸入名稱inlet和outlet，單擊OK按鈕確認。
（3）右鍵單擊模型樹中Mesh選項，依次選擇Mesh→Insert→Sizing。在Geometry中選擇計算域中泵體區域，在Element Size中輸入3e-3。
（4）設置網格尺寸為4e-03m，在Quality中，Smoothing選擇High。
（5）右鍵單擊模型樹中Mesh選項，選擇快捷菜單中的Generate Mesh選項，開始生成網格。
（6）網格劃分完成以后，單擊模型樹中Mesh項可以在圖形窗口中查看網格。
展開 【OpenFOAM算例】低速空氣繞流整周渦輪葉片流動模擬
OpenOFAM高級算例：
（本算例可以在EasyCAE云仿真平臺中實現哦）
前處理設置：
模擬類型：穩態
湍流模型：kOmegaSST模型
初場條件：
進口給定進口固定速度10m/s；出口給定固定壓力0pa。
壁面湍動能k、湍流時間尺度 omega給定壁面函數。
離散格式：
時間格式：穩態
梯度格式：高斯線性
散度格式：nueff*dev(T(grad(U)))為高斯線性格式，其他項為有界高斯迎風格式
拉普拉斯格式：高斯線性修正
插值格式：線性
面梯度格式：無
通量修正：p
數值求解器：
p：求解器：GAMG
光順器：GaussSeidel
U/k/omega：
求解器：PBiCG
預測器：DILU
通量(phi)：
求解器：GAMG
光順器：GaussSeidel
勢流(potentialFlow)：nNonOrthogonalCorrectors 10；
(通量phi和勢流是用于求解一個初場，以便后面求解的收斂，不然會發散)
SIMPLE算法：nNonOrthogonalCorrectors：1
松弛因子：
壓力場p：0.3
方程U/k/omega：0.7
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