汽车工业泵、阀三维CFD仿真PumpLinx解决方案

汽车工业汽车工业汽车工业汽车工业泵泵泵泵、、、、阀阀阀阀三维三维三维三维CFD仿真仿真仿真仿真PumpLinx解决方案解决方案解决方案解决方案海基科技海基科技海基科技海基科技2011年年年年8月月月月汽车工业泵、阀及系统级三维CFD仿真PumpLinx解决方案2目目目目录录录录1.汽车工业泵、阀三维CFD仿真需求分析..................................................................32.国内外研究与应用现状...............................................................................................43.PumpLinx软件功能与技术规格...................................................................................63.1公司简介.................................................................................................................63.2PumpLinx软件功能与技术规格..............................................................................63.2.1专业的泵阀模板................................................................................................63.2.2高效的求解器....................................................................................................73.2.3独特的专有网格技术........................................................................................73.2.4专业的空化与汽蚀模型....................................................................................94.PumpLinx应用实例.....................................................................................................114.1冷却水泵CFD仿真...............................................................................................114.2滑油泵与泵阀联合仿真.......................................................................................134.3涡轮增压器仿真...................................................................................................225.PumpLinx技术优势与应用前景.................................................................................246.PumpLinx汽车工业典型用户示例.............................................................................26汽车工业泵、阀及系统级三维CFD仿真PumpLinx解决方案31.汽车工业汽车工业汽车工业汽车工业泵泵泵泵、、、、阀阀阀阀三维三维三维三维CFD仿真仿真仿真仿真需求分析需求分析需求分析需求分析汽车发动机研制是各汽车主机厂设计单位的重要工作之一。随着环境、能源等方面面临压力的增大，人们对车用发动机技术性能的要求也在不断提高，包括：动力性能、燃油经济性能、排气清洁性、小型轻量化和振动噪声级别等。因此，在发动机设计过程中，必须对发动机的各个系统或零部件进行高性能、高精度的分析。为更节能高效地提供动力，现代发动机通常包含多种精密的流体部件及系统：涡轮增压器、滑油泵、冷却水泵、滑油系统、燃油系统、冷却系统等等。泵阀元件作为发动机各流体系统中至关重要的流动控制部件，对所在系统的流动特性有着重要的影响：泵元件为流体系统中工质的流动提供动力，阀门控制着不同流路间流量的合理配比。发动机中包括了多种类型的泵阀元件，以滑油系统为例，传统的机油泵以外齿轮泵为主，目前多采用摆线式内齿轮泵、新月形内齿轮泵等；近些年来，人们也开始研究滑片泵及各种可调容积泵在发动机中的应用。可见，发动机性能的优劣，很大程度上取决于流体部件工作性能及相互配合状况。与此同时，孤立地研究一个部件或者几个部件，在某些情况下难以给定真实的边界条件，无法真实反应系统的工作性能。虽然一维CFD软件在系统仿真领域开展了大量工作，但无法获取局部空化等三维效应强烈且无法忽略的流动特征，三维CFD系统仿真的需求日益突出。在产品设计过程中，需要对泵、阀等各类部件以及润滑、冷却、燃油喷射等关键的流体系统进行大量的论证和试验研究，以保证方案的可行性。汽车行业是一个高度竞争的行业，快速的立项、研发、定型和批量生产是企业竞争优势的重要保证。因此，为了提升产品性能、缩短研发周期，除了传统的试验研究之外，设计部门必须越来越多地使用计算机仿真手段进行新产品的研发。汽车工业泵、阀及系统级三维CFD仿真PumpLinx解决方案42.国内外研究国内外研究国内外研究国内外研究与应用与应用与应用与应用现状现状现状现状随着商业CFD软件的推广，人们对发动机各流体部件进行了大量的研究，包括：燃烧室、冷却水泵、换热器、化油器、喷嘴等等。此外，Flowmaster等流体系统仿真软件也被用来进行系统级仿真，如冷却系统、润滑系统的快速分析。这些技术都在一定程度上加深了设计人员对发动机内部流体流动的认识。但目前来讲，对容积式泵、新型阀门以及以此展开的子系统进行三维CFD仿真还是具有相当的挑战性。国内绝大多数用户采用通用CFD软件针对泵进行三维CFD解算。通用CFD软件在泵类设备的模拟中主要存在两个难题：即网格的划分和求解器的定制。这导致国内相关工作进展缓慢，结果可靠性有待提高。尤其是对于容积式滑油泵，国内相关单位难于获取准确的CFD结果。面临的主要问题如下：1)泵阀部件涉及流动区域的变化，描述困难，动网格的划分需要专业、成熟的CFD工程师才能完成。2)对于泵、阀中存在的空化与汽蚀效应，计算收敛性差，仿真结果难以保障。3)部分区域涉及微小间隙（如滑油泵啮合齿轮），对网格质量要求很高。为了达到所要求的网格质量，使用者需要花费大量的时间处理几何、划分网格。4)要求使用者具有深厚的CFD背景。只有对CFD有深入理解的用户才能够得出正确的计算结果。如果模型选择不正确的话，容易不收敛或者得出错误的结论。5)分析结果依赖于分析者的经验。对于同一问题，由于选择的模型不同，划分的网格数量、质量不同，导致计算结果不同。因此分析经验是影响分析结果的重要因素之一，只有CFD分析经验丰富的工程师才可能得出正确的结论。6)无法直接得到像泵的效率、扬程、轴功率等参数。需要用户根据流量、压力、转速等流场基本量手动换算这些参数，不但麻烦，而且容易出错。除此之外，对于需求日益强烈的系统级三维CFD仿真而言，润滑、冷却等系统所包含的部件众多，支路复杂，且包含复杂的泵元件，通用CFD软件的仿真能力更是望尘莫及。针对以上难点，PumpLinx均具有独特的技术优势，该软件开发的目标定位就是成为泵阀设计师最有力的CFD仿真工具。PumpLinx软件开发的目标就在于提高泵阀类元件及其复杂流体系统的三位CFD仿真分析能力，有效地降低产品的设计成本。汽车工业泵、阀及系统级三维CFD仿真PumpLinx解决方案5目前，国内主要的车用泵供应商已经具备了一定的CFD仿真能力，其中一汽富奥泵业分公司、湖南机油泵有限公司等单位均已采购PumpLinx对其泵产品进行仿真研究，这从部件级别增加了产品性能水平。主机厂根据不同的发动机型号，仍需要对部件进行合理的匹配和集成，以保证各部件间合理的配合，PumpLinx可以将泵阀及相应的流路、间隙结合起来分析不同工况下的子系统运行情况。汽车主机厂所与泵阀等部件厂商共同建立CFD仿真能力，承接零部件厂商产品研发结果，可开展深入的部件性能验证与进一步的系统级CFD仿真。在国外，PumpLinx在汽车工业应用广泛，其应用领域已经不仅局限于泵阀等部件级仿真，而且延伸至三维系统仿真这一CFD技术发展的重要方向。通用、大众、丰田、现代、福特、克莱斯勒等国外知名汽车制造商已采用PumpLinx开展与泵相关的复杂系统动态分析的工作，应用对象涵盖了汽车发动机的冷却系统、润滑系统、燃油系统等。因此，使用PumpLinx不仅增强了泵阀类元件的仿真分析能力，也增强了发动机各流体系统的研发能力。汽车工业泵、阀及系统级三维CFD仿真PumpLinx解决方案63.PumpLinx软件软件软件软件功能与功能与功能与功能与技术规格技术规格技术规格技术规格3.1公司公司公司公司简介简介简介简介PumpLinx是Simerics公司的产品。Simerics是一家美国的动力学软件/咨询公司，总部位于美国阿拉巴马州亨茨威尔市，它的使命是通过高效率、高精度的CFD仿真工具来支持技术研发。Simerics的团队由科学家和工程师构成，他们的核心成员早在1980年就是CFD软件开发和应用方面的先驱者。将他们的知识和经验与先进的计算物理、计算几何和软件工程相结合，给我们的客户提供了新一代的仿真工具。Simerics在CFD软件开发上坚持走面向企业用户的专业化道路，在CFD软件竞争最激烈的汽车及航空领域迅速打开市场。目前，美国的3大汽车公司GM、Ford、Chrysler以及Magna、Stackpole等汽车配件厂，都是PumpLinx的正式客户。在国内，一汽富奥泵业分公司、湖南机油泵有限公司、航空103厂、113厂、红林机械、兵器集团70所、佳木斯电机等单位均是PumpLinx的正式用户。3.2PumpLinx软件软件软件软件功能功能功能功能与与与与技术规格技术规格技术规格技术规格PumpLinx是一个独特的CFD工具，它可以帮助工程师更好的设计泵阀及更复杂的流体系统。与其它的通用CFD仿真软件相比，PumpLinx具有以下优点：专业的泵阀模板、高效的网格生成工具和稳健的汽蚀模型等。PumpLinx完全满足泵及其它任何具有旋转部件流体设备的模拟要求，建模流程简洁高效，用户可以快速的进行流动分析，并根据结果有针对性的调整CAD几何模型进行循环优化设计。较之与传统的CFD软件，PumpLinx大大的提供了虚拟设计的工作效率。3.2.1专业的泵专业的泵专业的泵专业的泵阀阀阀阀模板模板模板模板PumpLinx具备泵/马达专业模版，快速完成设置。模版将泵CFD模拟的流程和规范内置到PumpLinx软件中，泵的模版使CFD模拟的设置简单化，同时保证了计算的高效性和结果的可靠性。PumpLinx可以求解比其它商用软件更多类型的泵，PumpLinx当前包含以下泵设计模版：汽车工业泵、阀及系统级三维CFD仿真PumpLinx解决方案7图图图图1：：：：各种类型的泵各种类型的泵各种类型的泵各种类型的泵阀阀阀阀模板模板模板模板3.2.2