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PumpLinx 运动机械CFD模拟专家

更新:2015-9-30 19:41:34      点击:
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产品介绍

 随着CFD技术的发展,CFD应用已经渗透到包括泵、阀在内的所有工业领域,但CFD软件的应用仍然受到软件的易用性、计算精度以及计算效率等问题的困扰。为了解决这些问题,美国Simerics公司推出了专业的运动机械CFD模拟软件——PumpLinxPumpLinxCFD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。

软件介绍

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、风扇、螺旋浆等运动机械及其相关的流体系统。

PumpLinx专业的泵阀模板

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。模板将泵阀等运动机械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等。

可通过模板化的操作步骤快速生成各种容积泵(如外齿轮泵、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泵阀仿真的动网格、物理模型和边界条件,使CFD仿真流程化、简单化、精确化

可针对泵阀及压缩机等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。

 

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泵阀等运动机械转子部分的结构网格。

·       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,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。

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.SinghalJiang 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模型

PumpLinx_3.5版本已推出VOF两相流数值模型,并在许多案例中得到成功应用。其技术特点如下: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:l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/滑动/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

·         l与实验值具有良好的吻合性

·         l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

·          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。

计算结果的可靠性

PumpLinx可以精确模拟包括各类泵阀等在内的运动机械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。

PumpLinx的应用范围

PumpLinx适用于所有具有旋转或滑动部件的流体设备,以及包含空化及自由液面等多相流现象在内的工程问题,其典型应用包括:

    1)自由液面问题仿真

PumpLinx VOF模型已成功应用于水环泵仿真,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、船体自由液面仿真应用等,可帮助客户迅速建立VOF求解模型,捕捉气液相界面,预测压力、速度、密度、效率等参数,为工程师优化设计提供指导。

    2)叶片式旋转机械

PumpLinx可应用于各种叶片式旋转机械,如离心/混流/轴流式泵和风扇、螺旋桨、喷水推进器、离心压缩机、液力变矩器等。将PumpLinx应用于这些叶轮机械,可获得不同旋转机械所关心的性能参数和性能曲线从而指导其优化设计,主要包括:叶轮轴向力和径向力;流量-扬程曲线;压比曲线;效率曲线;出口的压力脉动(瞬态模拟);汽蚀发生位置,预测临界汽蚀余量;定子和转子设计;入口和出口通道设计;叶尖和机匣间缝隙分析;优化性能;降低叶片载荷;降低汽蚀对泵效率的影响,延长泵寿命等。

双吸泵的临界汽蚀余量预测

    3)齿轮泵

PumpLinx内置有外啮合、内啮合、新月形齿轮泵的模板,可直接生成齿轮部分的结构网格,可自动考虑齿轮的端面间隙,使模拟结果与实际更接近。通过调用不同的齿轮泵模板,设置基本的工作参数,即可实现齿轮泵的非定常仿真,大大降低动网格设置难度。同时,PumpLinx也能实现对于变排量齿轮泵的数值仿真。将PumpLinx应用于外齿轮、内齿轮、新月形内齿轮设计可以实现:齿轮设计;进出端口设计;降低泄漏;降低压力、流量脉动和噪声;降低汽蚀对泵效的影响,延长泵寿命。

    4)柱塞泵

PumpLinx应用于柱塞泵设计可以实现:实现单个汽缸参数的瞬态追踪,进而优化单个汽缸设计;轴向力和径向力分析;入口和出口通道设计;阀片设计;考虑泄漏时的影响,降低泄漏;降低压力、流量脉动和噪声;预测汽蚀位置,降低汽蚀对泵效的影响,延长泵寿命。

轴向柱塞泵空化及实验中汽蚀位置

    5)滑片泵

PumpLinx内置有滑片泵动网格模板,可自动划分转子部分的结构网格,可考虑微米级别的端面间隙。此外,PumpLinx内置有变排量滑片泵模板,可模拟摆动式和往复式变排量滑片泵的内部流场,实现变排量滑片泵的模拟和优化设计。将PumpLinx应用于滑片泵设计可以实现:叶片设计;进口和出口流道设计;滑片设计;降低泄漏;降低压力波和噪声;降低汽蚀对泵效的影响,延长泵寿命;摆动/往复式变排量泵的优化设计。

    6)阀门仿真应用案例

采用PumpLinx对阀门进行仿真,可以确定阀门内部的流动状况及瞬态效应,预测阀门的瞬态流量、速度和压力特性,开启和关闭特性,评估阀门的空化、噪声性能,有针对性地对阀门进行结构优化。PumpLinx内置阀门模板可适用于球阀、滑阀、旋起式阀门、摆动式阀片、蝶阀、门阀、锥阀及各类调节阀等。大体可分为两大类,即往复式运动阀门和扭转式运动阀门,因此适用于绝大多数的阀门仿真,尤其对于结构复杂的阀门模型也具有良好的适应性。

    7)压缩机

PumpLinx内置有离心压缩机、涡旋压缩机、滚动活塞压缩机、罗茨压缩机仿真模板,模板功能将转子部分的结构网格划分和动网格设置预定义在软件中,可快速完成压缩机流场的仿真。此外,PumpLinx还可以处理与压缩机匹配的阀片仿真,考虑阀片变形及与压缩机的匹配效应。将PumpLinx应用于压缩机的仿真可帮助用户实现:流场压力、速度预测;温度预测;流场任一点压力脉动预测(瞬态模拟);容积效率预测;转子和气缸间隙分析;转子设计;进出端口设计;阀片设计;减振降噪,延长寿命等。               

         活塞压缩机仿真              罗茨压缩机仿真

    8)泵阀联合

泵阀联合仿真是PumpLinx的典型应用之一。容积式泵在流体系统里通常是与阀门(球形阀、滑阀等)协同工作,阀门对泵进行配流、调压和过载保护等;泵与阀门之间会相互影响,耦合性较强。如果在进行CFD模拟时只考虑泵的流动而不考虑阀门的作用,对最后计算结果的准确性会有很大影响。

    9)系统级仿真

作为强大的CFD仿真工具,PumpLinx不仅可以解决包含各种齿轮泵在内的复杂的旋转机械的CFD问题,同时还可以解决泵、控制阀门、活塞、接头、局部损失元件等组成的流体系统的CFD问题,在考察泵阀本身的运行特性的同时,还可以充分考察泵与上下游部件之间的相互影响及匹配性,从而为泵、阀门的选型提出指导意见。

调速油泵及其调节回路联合仿真

曲轴箱通风系统压力分布

    10)其他

作为专业的运动机械仿真工具,PumpLinx在运动机械领域有着广泛的适应性,同时,由于其具备完备的求解功能,因此对于通用CFD问题同样适用。

     双螺杆压缩机温度预测          轨道式摆线泵马达数值仿真

         整车空气动力学仿真         润滑轴承数值仿真

单螺杆泵数值仿真

 

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