【技術(shù)帖】PumpLinx軟件簡(jiǎn)介及其在船舶行業(yè)CFD仿真中的應(yīng)用

2016-09-13  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

PumpLinx  軟件簡(jiǎn)介及其在船舶行業(yè) CFD 仿真中的應(yīng)用1. 船舶行業(yè)流體分析關(guān)注點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)  隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 通過仿真方法虛擬再現(xiàn)設(shè)備的工作狀態(tài)已成為各研究單位的主要研究手段。數(shù)值仿真可以預(yù)測(cè)設(shè)備正常工作時(shí)的各個(gè)指標(biāo)參數(shù),研究設(shè)備尺寸參數(shù)對(duì)性能的影響,亦可分析設(shè)備故障狀態(tài)下的指標(biāo)變化情況,對(duì)故障排除具有較大的指導(dǎo)意義。具體到船舶行業(yè)的流體分析,主要關(guān)注點(diǎn)總結(jié)如下:? 船用泵閥部件的分析,包括各種油泵、液壓泵、高壓閥門、舵機(jī)部件等的流量、壓力、速度特性分析,流量-壓力等性能曲線分析,閥門動(dòng)態(tài)特性分析, 高壓噴射分析, 空化效應(yīng)分析以及流體與其他學(xué)科的聯(lián)合分析;? 船用水下航行體部件分析,如螺旋槳/噴水推進(jìn)器動(dòng)力特性、空化性能分析, 水下航行體空泡/超空泡分析及與其他學(xué)科的聯(lián)合分析, 如流噪分析;? 船舶相關(guān)流體系統(tǒng)分析,如系統(tǒng)空化、水錘分析,系統(tǒng)壓力脈動(dòng)分析,匹配性分析,系統(tǒng)內(nèi)詳細(xì)的流場(chǎng)現(xiàn)象解析等;? 船體設(shè)計(jì)分析,如船體速度分析,船體阻力分析,船體下沉和搖擺分析。  對(duì)于傳統(tǒng)的 CFD 軟件來說,進(jìn)行船舶行業(yè)流體分析時(shí),在網(wǎng)格建模、動(dòng)網(wǎng)格描述、多相流分析及求解速度及精度上都有一定的局限性。在網(wǎng)格建模方面,船用流體機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且網(wǎng)格質(zhì)量要求較高,部分機(jī)械網(wǎng)格尺度差異懸殊,因此, 對(duì)于船體或船用發(fā)動(dòng)機(jī)部件的網(wǎng)格的加密控制,網(wǎng)格質(zhì)量及數(shù)量的控制非常重要。對(duì)于傳統(tǒng) CFD 軟件而言,前處理工作不僅困難,并帶來巨大的工作量;動(dòng)網(wǎng)格描述方面,螺旋槳、泵推、泵閥、船體運(yùn)動(dòng)等都需要用動(dòng)網(wǎng)格描述,閥門的運(yùn)動(dòng)也需要用動(dòng)網(wǎng)格描述,且必須考慮動(dòng)力學(xué)關(guān)系,即船用機(jī)械分析涉及到多個(gè)自由度分析和網(wǎng)格運(yùn)動(dòng),一般而言需要進(jìn)行二次開發(fā),難度較大;多相流分析方面,傳統(tǒng) CFD 軟件對(duì)泵及螺旋槳的空化分析,水下物體的超空泡分析,以及船體自由液面的分析存在技術(shù)上的不準(zhǔn)確性;在求解速度及精度方面,船舶流體分析要求求解器具有一定規(guī)模的系統(tǒng)級(jí)分析能力,能準(zhǔn)確描述多部件耦合的影響,傳統(tǒng)的 CFD 軟件難以勝任。  針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn),美國 Simerics 研發(fā)的 PumpLinx 軟件可以較好地解決上述技術(shù)難題。該軟件基于 A shok.Singhal 和 Jiang Yu 等人提出的全空化模型,可精確求解包括空化、超空化在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械的復(fù)雜流動(dòng)問題。其內(nèi)置的 VOF 模型在船體的阻力和速度分析方面獲得了高度的吻合。 同時(shí)該軟件內(nèi)置了多種運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板,模板將 CFD 分析的流程和規(guī)范以及動(dòng)網(wǎng)格開發(fā)等內(nèi)容全部?jī)?nèi)置在軟件中,對(duì)于船用機(jī)械的 CFD 分析而言,大大降低了技術(shù)難度并提高了效率。2. PumpLinx  公司及軟件介紹2.1公司介紹 PumpLinx 是 Simerics 公司的產(chǎn)品。Simerics 是一家美國的動(dòng)力學(xué)軟件/咨詢公司,總部位于美國阿拉巴馬州亨茨威爾市,它的使命是通過高效率、高精度的CFD 仿真工具來支持工程師的技術(shù)研發(fā)。Simerics 的團(tuán)隊(duì)由科學(xué)家和工程師構(gòu)成,他們的核心成員早在 1980 年就是 CFD 軟件開發(fā)和應(yīng)用方面的先驅(qū)者。他們將自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)的計(jì)算物理、計(jì)算幾何和軟件工程相結(jié)合,給客戶提供了新一代的仿真工具。Simerics 在 CFD 軟件開發(fā)上堅(jiān)持走面向企業(yè)用戶的專業(yè)化道路,在航空、船舶、汽車、泵及工程機(jī)械行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。目前美國Flowserve、伊頓、格蘭富集團(tuán)等都是 Simerics 公司正式用戶;在國內(nèi),中船重工 704 所、705 所、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、一汽富奧、佳木斯電機(jī)、北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所、西安航空動(dòng)力控制工程有限責(zé)任公司、北京長空機(jī)械廠、貴州紅林機(jī)械等均是 PumpLinx 的正式用戶。2.2PumpLinx  軟件介紹 PumpLinx 是美國 Simerics 公司特別針對(duì)各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械的流體力學(xué)模擬計(jì)算開發(fā)的 CFD 軟件。PumpLinx 的核心部分是一個(gè)功能強(qiáng)大的CFD 求解器,可求解包括可壓縮/不可壓縮流體流動(dòng)的傳熱、傳質(zhì)、湍流、空化、自由液面等在內(nèi)的物理現(xiàn)象。在求解器基礎(chǔ)上,PumpLinx 提供了多種運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板,用于完成不同運(yùn)動(dòng)機(jī)械的網(wǎng)格生成、參數(shù)設(shè)置、非定常計(jì)算中動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置以及后處理數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等多項(xiàng)專用功能。它的目標(biāo)是成為工程師最有力的數(shù)值模擬工具,幫助工程師更好的設(shè)計(jì)螺旋槳、噴水推進(jìn)器、泵閥、壓縮機(jī)以及船體等船用機(jī)械。PumpLinx  專業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板  PumpLinx 具備專業(yè)的螺旋槳/噴水推進(jìn)器/船用泵閥等運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板, 可快速完成計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置。模板針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)機(jī)械的 CFD 模擬將對(duì)應(yīng)的流程和規(guī)范內(nèi)置到 PumpLinx 軟件中,使 CFD 模擬的設(shè)置簡(jiǎn)單化,保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。PumpLinx  獨(dú)特的專有網(wǎng)格技術(shù)?  高度自適應(yīng)的二叉樹笛卡爾網(wǎng)格技術(shù):PumpLinx 包括一個(gè)自動(dòng)化的笛卡爾網(wǎng)格生成器,它可以便利的生成 CFD 求解器可以高效求解的高質(zhì)量網(wǎng)格。這個(gè)網(wǎng)格生成器采用專有的幾何等角自適應(yīng)二元樹(geometry Conformal Adaptative Binary-tree)算法,既 CAB 算法,CAB 算法在由封閉表面構(gòu)成的體域生成迪卡爾網(wǎng)格。 在靠近幾何邊界, CAB 自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格來適應(yīng)幾何曲面和幾何邊界線。 為了適應(yīng)關(guān)鍵性的幾何特征, CAB 通過不斷的分裂網(wǎng)格來自動(dòng)的調(diào)整網(wǎng)格大小,這是利用最小的網(wǎng)格分辨細(xì)節(jié)特征的最有效方法。 PumpLinx  的通用笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)特點(diǎn)如下:  自動(dòng)、快速的網(wǎng)格生成:用戶選擇一組封閉表面,點(diǎn)擊一個(gè)按鈕,網(wǎng)格完全自動(dòng)的生成。對(duì)于大多數(shù)工程問題,可以在幾分鐘之內(nèi)完成網(wǎng)格劃分。  精確的表達(dá)原始幾何:創(chuàng)建與曲面形狀相匹配的網(wǎng)格,可以保證準(zhǔn)確表達(dá)重要幾何特征。CAB 也可以自動(dòng)的增加網(wǎng)格密度來更好的分辨幾何特征,用戶可以直接設(shè)置曲面的網(wǎng)格密度來直接控制網(wǎng)格質(zhì)量。  高質(zhì)量/高效率的網(wǎng)格:CAB 通常生成更適合于高精度算法的迪卡爾六面體網(wǎng)格。對(duì)于同樣的精度水平,與四面體網(wǎng)格相比數(shù)量更少。 能夠容忍“爛”幾何:許多 CAD 曲面并不是完全貼合。它們也許有小縫隙,或者是沒有專門縫合在一起。如果幾何包含這樣的“爛”特征,許多網(wǎng)格生成算法會(huì)失敗,因此在生成之前,幾何必須清理干凈。CAB 算法在一定程度上可以容忍“爛”幾何。對(duì)于多數(shù)情況,CAB 基于“爛”幾何可以生成合理的網(wǎng)格,而精度損失是可以忽略的,從而獲得有意義的模擬結(jié)果。

?  PumpLinx 運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板網(wǎng)格技術(shù):針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)機(jī)械模型,提供了一個(gè)模板化的網(wǎng)格生成器,通過一鍵式的操作專門生成泵閥等運(yùn)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

?  PumpLinx 通用模板網(wǎng)格技術(shù):PumpLinx 內(nèi)置通用的網(wǎng)格模板技術(shù),可參數(shù)化生成棱柱體、六面體、圓柱體等的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,特別適用于某些特定結(jié)構(gòu)的幾何模型網(wǎng)格生成,在生成方式、操作步驟和網(wǎng)格精度上都更簡(jiǎn)潔、快速和優(yōu)良。由此可見,PumpLinx 網(wǎng)格生成方式多樣,技術(shù)優(yōu)良,針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)特征可采用不同的網(wǎng)格生成方法,從而有效地提高網(wǎng)格生成速度、降低網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量。

獨(dú)特的網(wǎng)格及模型參數(shù)記憶功能 PumpLinx 具備網(wǎng)格和模型設(shè)置參數(shù)記憶功能,即對(duì)于生成的已有的網(wǎng)格模型,可查看相關(guān)網(wǎng)格尺寸參數(shù),且可以在原網(wǎng)格的基礎(chǔ)上修改相關(guān)參數(shù),新生成的網(wǎng)格模型會(huì)自動(dòng)覆蓋原來的網(wǎng)格,并保留所有模型設(shè)置信息如邊界條件、動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置、自由度模型設(shè)置、求解模型設(shè)置信息等。對(duì)于船體的設(shè)計(jì)分析而言,得益于 PumpLinx 的網(wǎng)格和模型記憶功能,可以非常方便地進(jìn)行船體的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。如下圖為某船體的網(wǎng)格模型,如客戶有另一船體的分析模型,只需將分析模型的名稱與 PumpLinx 的原模型保持一致,則利用網(wǎng)格記憶和覆蓋功能,可以非常快速地生成符合分析要求的加密后的網(wǎng)格模型,并保持原有的計(jì)算模型設(shè)置、動(dòng)網(wǎng)格和自由度模型設(shè)置等信息,實(shí)現(xiàn)船體 VOF 分析的模板功能。PumpLinx  穩(wěn)健而精確的多相流技術(shù) 1.全空化數(shù)值模擬   PumpLinx 擁有工業(yè)界獨(dú)一無二的空化(汽蝕)模型,該模型基于 Ashok.Singhal 和 Jiang Yu 等人提出的全空化模型。全空化模型是基于兩相流的模型思想,用 Rayleigh-plesset 方程求解氣泡變化的動(dòng)態(tài)過程,引入了混合密度的概念, 并綜合考慮了液體的可壓縮性以及蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)過程。對(duì)于非凝結(jié)氣,PumpLinx 也提供了不同的子模型供用戶選擇,如固定氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可變氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。  PumpLinx 空化模型的特別之處在于對(duì)特別困難的問題,在其它軟件都失敗的情況下PumpLinx 依然可以收斂。除此之外,該空化模型不但能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)汽蝕對(duì)效率的影響,還可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)汽蝕損害可能發(fā)生的位置, 當(dāng)空化效應(yīng)不可忽略時(shí),這一能力對(duì)于許多問題都是很重要的。2.VOF  模型
 PumpLinx_4.0 版本已推出 VOF 兩相流數(shù)值模型,并在許多案例中得到成功應(yīng)用,其技術(shù)特點(diǎn)如下:嚴(yán)格遵守質(zhì)量守恒及不可壓縮項(xiàng)的體積守恒,可考慮任意項(xiàng)的可壓/不可壓特性,可采用隱式或顯式時(shí)間格式,具有高分辨率的交互面捕捉方法,內(nèi)置表面張力模型和壁面接觸模型。目前 PumpLinx VOF 模型已成功應(yīng)用于船體的自由液面模擬,輪箱油液潤滑,油泵自吸,溢流堰流場(chǎng)仿真,潰壩以及攪拌器內(nèi)流場(chǎng)仿真等驗(yàn)證等。結(jié)合 PumpLinx 的具體應(yīng)用,PumpLinx VOF模型具有如下優(yōu)勢(shì):? 可處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型? 可考慮微米間隙問題? 具備多種類型的網(wǎng)格技術(shù),可針對(duì)不同模型采用不同方法劃分網(wǎng)格? 先進(jìn)的移動(dòng)/華東/變形網(wǎng)格之間的交互面技術(shù)(MGI)? 可應(yīng)用于多種類型的運(yùn)動(dòng)機(jī)械和閥門? 可適用于大范圍的動(dòng)壓改變? 與實(shí)驗(yàn)值具有良好的吻合性? 合理的計(jì)算時(shí)間,對(duì)于復(fù)雜問題亦是如此? 具有良好的收斂性和穩(wěn)定性。高效的求解器  PumpLinx 求解器是在傳統(tǒng)的 CFD 求解器基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn), 將其最新的數(shù)值技術(shù)與 PumpLinx 專有算法相結(jié)合,建立了一個(gè)比其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更快速、更穩(wěn)健的數(shù)值模擬工具。一般來說,在同等計(jì)算條件下,PumpLinx 計(jì)算速度比同類軟件快 5 倍左右。  作為專業(yè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械CFD仿真工具,PumpLinx可用于分析以下工程流體問題:? 內(nèi)流/外流? 層流/湍流? 多組分/多相流動(dòng)? 空化/氣蝕? VOF? 可壓/不可壓? 亞音速/超音速? 穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)? 導(dǎo)熱/對(duì)流傳熱? 多孔介質(zhì)? 浮力驅(qū)動(dòng)流(重力效應(yīng))? 旋轉(zhuǎn)/平動(dòng)等多自由度運(yùn)動(dòng)問題   PumpLinx 支持多核并行計(jì)算,以顯著提高其計(jì)算速度,PumpLinx 結(jié)合強(qiáng)大的網(wǎng)格技術(shù)、快速的求解功能和并行求解能力,使得PumpLinx 可以有效實(shí)現(xiàn)三維系統(tǒng)級(jí)的 CFD 仿真,如 PumpLinx 已完成螺旋槳帶船體仿真、噴水推進(jìn)器整流場(chǎng)仿真、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)仿真、潤滑系統(tǒng)仿真(包含油泵、閥門、管道及其他部件) 、冷卻系統(tǒng)仿真等,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的三維系統(tǒng)級(jí)仿真,并有效地為客戶解決了實(shí)際問題。計(jì)算結(jié)果的可靠性 PumpLinx 可以精確模擬包括螺旋槳、噴水推進(jìn)器、水下航行器等運(yùn)動(dòng)機(jī)械在內(nèi)的的空化及超空化流動(dòng)問題。該空化模型已經(jīng)被大量的工程題目所驗(yàn)證,如下圖即為不同流體機(jī)械汽蝕損害區(qū)域模擬與試驗(yàn)的對(duì)比情況。
PumpLinx  的應(yīng)用PumpLinx 適用于所有具有旋轉(zhuǎn)或滑動(dòng)部件的流體機(jī)械設(shè)備,其典型應(yīng)用包括:(1)螺旋槳/風(fēng)扇(2)混流泵/噴水推進(jìn)器(3)軸流泵/扇(4)正位移泵/馬達(dá)  將 PumpLinx 應(yīng)用于螺旋槳/風(fēng)扇、 軸流泵/扇、 混流泵/扇、 正位移泵/馬達(dá)等,可獲得螺旋槳/泵相關(guān)參數(shù)從而指導(dǎo)其設(shè)計(jì),主要包括:—流場(chǎng)壓力、速度分布;—空化及汽蝕損害區(qū)域分布; —葉輪軸向及徑向力分布;—流場(chǎng)任一點(diǎn)壓力脈動(dòng)(瞬態(tài)模擬) ;—臨界汽蝕余量預(yù)測(cè);—定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì);—進(jìn)出口流道設(shè)計(jì);—葉尖和機(jī)匣間縫隙分析;—優(yōu)化性能;—降低葉片載荷;—降低汽蝕對(duì)螺旋槳/泵效率的影響,延長壽命。(5)軸向柱塞泵將 PumpLinx 應(yīng)用于軸向柱塞泵設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn):—實(shí)現(xiàn)單個(gè)汽缸參數(shù)的瞬態(tài)追蹤,進(jìn)而優(yōu)化單個(gè)汽缸設(shè)計(jì);—軸向力和徑向力;—入口和出口通道設(shè)計(jì);—閥片設(shè)計(jì);—考慮泄漏時(shí)的影響,降低泄漏;—降低壓力、流量脈動(dòng)和噪聲;—預(yù)測(cè)汽蝕位置,降低汽蝕對(duì)泵效的影響,延長泵壽命。  PumpLinx 內(nèi)置有外嚙合、內(nèi)嚙合、新月形齒輪泵的動(dòng)網(wǎng)格模板,可直接生成齒輪部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,且可自動(dòng)考慮齒輪的端面間隙,使模擬結(jié)果與實(shí)際更接近,精度更高。將 PumpLinx 應(yīng)用于外齒輪、內(nèi)齒輪、新月形內(nèi)齒輪設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn):—齒輪設(shè)計(jì);—進(jìn)出端口設(shè)計(jì);—降低泄漏;—降低壓力、流量脈動(dòng)和噪聲;—降低汽蝕對(duì)泵效的影響,延長泵壽命。(9)滑片泵 PumpLinx 內(nèi)置有滑片泵動(dòng)網(wǎng)格模板,可自動(dòng)劃分轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,可考慮微米級(jí)別的端面間隙。此外,PumpLinx 內(nèi)置有變排量滑片泵模板,可模擬擺動(dòng)式和往復(fù)式變排量滑片泵的內(nèi)部流場(chǎng),實(shí)現(xiàn)變排量滑片泵的模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。將 PumpLinx 應(yīng)用于滑片泵設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn):—葉片設(shè)計(jì);—進(jìn)口和出口流道設(shè)計(jì);—降低泄漏;—降低壓力波和噪聲;—降低汽蝕對(duì)泵效的影響,延長泵壽命;—擺動(dòng)/往復(fù)式變排量泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(10)其他 4.PumpLinx  在 船舶行業(yè) CFD 仿真中的應(yīng)用01PumpLinx 在高速水下航行體空化及超空化中的應(yīng)用  水下航行體 CFD 模擬,是一個(gè)非常復(fù)雜的多相流動(dòng)問題。魚雷在水下高速運(yùn)動(dòng)時(shí),魚雷表面附近的水因低壓而發(fā)生相變,形成覆蓋航行體大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后,魚雷將在氣體中航行,由于在水中的摩擦阻力約為在空氣中摩擦阻力的 850 倍,因此,超空泡技術(shù)的應(yīng)用可以使水下航行體的摩擦阻力大幅減小, 從而使魚雷等大尺度水下航行體的速度提高到 100m/s 的量級(jí),使水下射彈等小尺度水下航行體的航速提高到 1000m/s 的量級(jí) 。  超空泡流動(dòng)包含了非定常、可壓縮、相變、湍流等流體力學(xué)研究中比較復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)空泡流的數(shù)值模擬研究帶來了很大挑戰(zhàn),計(jì)算收斂性和結(jié)果精度都難以保證,因而超空化魚雷的數(shù)值模擬存在許多技術(shù)難點(diǎn)。  PumpLinx 不僅擁有先進(jìn)的網(wǎng)格劃分方法,可以大大提高 CFD 模擬的前處理時(shí)間,而且擁有世界上最先進(jìn)的空化預(yù)測(cè)模型,可以非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)空泡形態(tài),而且在其他計(jì)算軟件很難計(jì)算收斂的情況下,PumpLinx 依然可以計(jì)算收斂。如圖 4.3 所示,PumpLinx 可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)高速水下航行體空泡形態(tài)。  PumpLinx 作為專業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械仿真軟件,結(jié)合其內(nèi)置的獨(dú)特全空化模型,不僅可以模擬水下航行體的自然超空泡和通氣超空泡, 同時(shí)對(duì)于水下航行體以某一角度擺動(dòng)或繞某點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的超空泡運(yùn)動(dòng)也能實(shí)現(xiàn)其數(shù)值模擬, 預(yù)測(cè)不同運(yùn)動(dòng)工況下空泡的形態(tài)及泡內(nèi)外壓力, 為空泡形態(tài)變化對(duì)水下彈射的作用及水下航行器的流體動(dòng)力特性研究提供分析依據(jù)。 02 PumpLinx 在螺旋槳模擬中應(yīng)用  在船舶推進(jìn)研究領(lǐng)域, 如何準(zhǔn)確預(yù)報(bào)螺旋槳的水動(dòng)力性能一直是引人關(guān)注的研究課題,而且螺旋槳尾流場(chǎng)關(guān)系到螺旋槳的水動(dòng)力性能、空泡性能、激振力和噪音問題,所以長期以來受到人們的關(guān)注,PumpLinx 可以準(zhǔn)確模擬螺旋槳水動(dòng)力性能以及空泡性能, 從而為噪聲模擬提供精確流場(chǎng)數(shù)據(jù)。 如圖 4.8 至 4.14 所示:  此外 PumpLinx 也能實(shí)現(xiàn)螺旋槳的伴流設(shè)計(jì)以及雙螺旋槳的流場(chǎng)數(shù)值模擬,為設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確和有價(jià)值的結(jié)果。 03PumpLinx 在噴水推進(jìn)器模擬中的應(yīng)用  噴水推進(jìn)技術(shù)具有推進(jìn)效率高、抗空泡性強(qiáng)、附體阻力小、操縱性號(hào)、傳動(dòng)軸系簡(jiǎn)單、保護(hù)性能號(hào)、運(yùn)行噪聲低、變工況范圍廣和利于環(huán)保等有點(diǎn)。噴水推進(jìn)器的內(nèi)部流動(dòng)是一種復(fù)雜的三維紊流流動(dòng), 目前最有力的研究途徑是利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法去模擬流場(chǎng)中的壓力、速度分,預(yù)測(cè)噴水推進(jìn)器的性能優(yōu)劣,進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。  PumpLinx 軟件有專門的噴水推進(jìn)器模板,可快速劃分流場(chǎng)網(wǎng)格,通過最先進(jìn)的空化預(yù)測(cè)模型,準(zhǔn)確的模擬噴水推進(jìn)器內(nèi)部壓力、速度及空化情況,如圖4.11 所示。 04PumpLinx 在船用泵CFD仿真中的應(yīng)用  船用齒輪泵仿真 齒泵是一種常用的容積式泵,主要類型有:擺線內(nèi)齒輪泵、新月形內(nèi)齒輪泵、外齒輪泵等。齒輪泵被廣泛的用在船舶的滑油系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)中。 CFD(計(jì)算流體力學(xué))技術(shù)不斷地應(yīng)用到涉及流體運(yùn)動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域,并取得了很多有價(jià)值的成果。但在容積泵領(lǐng)域的 CFD 分析一直進(jìn)展緩慢,這主要有以下兩個(gè)方面:一、泵幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)機(jī)理的復(fù)雜性,特別是流動(dòng)涉及到了多相流(空化現(xiàn)象) ,目前,人們對(duì)空泡流的認(rèn)識(shí)還不夠深入。另外,氣液兩相的密度比可大 103 的量級(jí),這在數(shù)值算法的實(shí)現(xiàn)上具有一定的難度;二、轉(zhuǎn)子式容積泵的 CFD 模擬包含動(dòng)網(wǎng)格,且嚙合間隙在 10-5mm 的量級(jí),網(wǎng)格生成困難。雖然有相關(guān)的數(shù)值模擬文獻(xiàn)被發(fā)表,但大多進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化,如:2D 模型、調(diào)大間隙等等,結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有一定的差異。  PumpLinx 具有獨(dú)特的齒輪泵網(wǎng)格生成模板, 可以快速生成結(jié)構(gòu)化的動(dòng)網(wǎng)格。同時(shí),由于數(shù)值算法優(yōu)異的魯棒性,使得分析可以將齒輪嚙合間隙減小到50-100 μm 的量級(jí),完全符合真實(shí)產(chǎn)品的裝配公差。PumpLinx 穩(wěn)健的空化模型,使工程師可以快速預(yù)測(cè)泵內(nèi)可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的位置, 為改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工況提供依據(jù)。  以下給出了 PumpLinx 模擬齒輪泵的若干應(yīng)用案例: 船用柱塞泵/ 馬達(dá) 仿真應(yīng)用  柱塞泵/馬達(dá)是船舶液壓和燃油系統(tǒng)用泵的典型應(yīng)用之一,各個(gè)柱塞腔的流體在配流盤處匯合,各個(gè)柱塞之間相互影響。柱塞泵在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象,導(dǎo)致嚴(yán)重的氣蝕破壞和氣蝕噪聲,并導(dǎo)致元件破壞和流體噪聲?？栈F(xiàn)象出現(xiàn)在元件內(nèi)部,尤其是復(fù)雜流動(dòng)的位置區(qū)域,很難通過試驗(yàn)手段進(jìn)行直接觀測(cè),因此通過對(duì)柱塞泵進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)的建模,使用數(shù)值模擬方法對(duì)空化現(xiàn)象進(jìn)行研究,對(duì)空化產(chǎn)生的位置進(jìn)行模擬仿真,分析其產(chǎn)生的過程。  將 PumpLinx 應(yīng)用于柱塞泵設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn):實(shí)現(xiàn)單個(gè)汽缸參數(shù)的瞬態(tài)追蹤,進(jìn)而優(yōu)化單個(gè)汽缸設(shè)計(jì);軸向力和徑向力;入口和出口通道設(shè)計(jì);閥片設(shè)計(jì);考慮泄漏時(shí)的影響,降低泄漏;降低壓力、流量脈動(dòng)和噪聲;預(yù)測(cè)汽蝕位置,降低汽蝕對(duì)泵效的影響,延長泵壽命。 從空化分布圖可以看出柱塞泵在配流過程中, 當(dāng)柱塞從低壓腔接通高壓腔的時(shí)候,由于減壓槽和減壓孔兩端的壓差,導(dǎo)致在這兩處的流速過快,動(dòng)壓增大,靜壓減小,使得這兩處產(chǎn)生大量的氣泡,發(fā)生了明顯的空化現(xiàn)象,這與現(xiàn)實(shí)中柱塞泵內(nèi)空蝕破壞的位置相符合。由壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,PumpLinx 預(yù)測(cè)的柱塞泵流道不同位置處的壓力脈動(dòng)與試驗(yàn)值有很高的吻合度, 這為工程師分析壓力脈動(dòng)和噪聲提供了有力的分析依據(jù)。  上兩圖為考慮不同位置摩擦副(配油盤、滑靴、球頭、筒壁)的仿真模型和流場(chǎng)壓力分布,通過考慮不同位置摩擦副,可更好的分析摩擦副對(duì)泵回油流量和內(nèi)泄漏的影響,從而為泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。  船用螺桿泵/ 壓縮機(jī)  螺桿泵/壓縮機(jī)由于具有其他類型泵不可取代的特點(diǎn),如輸送介質(zhì)平穩(wěn)、低紊流、壓力脈動(dòng)小、噪聲低等,在船舶行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而由于螺桿泵/壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性,對(duì)于螺桿泵/壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成和復(fù)雜的動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)設(shè)置難以完成,此外在 CFD 分析時(shí)對(duì)于泄露、多相流以及大的 P&T 的梯度比等因素都使得螺桿泵/壓縮機(jī)的 CFD 應(yīng)用沒有得到較好地應(yīng)用。目前 PumpLinx 聯(lián)合倫敦城市大學(xué)研發(fā)的螺桿機(jī)械前處理軟件 SCORG 可以有效解決上述技術(shù)難點(diǎn),并已取得了較多的成功應(yīng)用。  將 PumpLinx 應(yīng)用于螺桿泵/壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn):—優(yōu)化泵/壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線和轉(zhuǎn)子幾何設(shè)計(jì);—優(yōu)化進(jìn)出口流道設(shè)計(jì);—間隙、泄露對(duì)泵/壓縮機(jī)性能的影響;—優(yōu)化熱力學(xué)特性;—監(jiān)測(cè)流場(chǎng)任一點(diǎn)的壓力脈動(dòng),降噪減振、延長泵/壓縮機(jī)壽命。 05Pumplinx  在驅(qū)逐艦(DTMB 5415)分析  對(duì)于驅(qū)逐艦的阻力和液位型面等的分析, 由于涉及到需要獲取合理的網(wǎng)格模型, 需要設(shè)置驅(qū)逐艦行進(jìn)過程中的動(dòng)力學(xué)關(guān)系以及動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置等, 同時(shí)對(duì)于 VOF的模型設(shè)置調(diào)試同樣難度較大,因此要快速獲得合理的分析結(jié)果挑戰(zhàn)較大。PumpLinx 的獨(dú)特之處在于由于其具備網(wǎng)格記憶和覆蓋功能,因此對(duì)于其他的船體分析模型,可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格覆蓋,同樣可在短短幾分鐘之內(nèi)生成合理的網(wǎng)格模型,并保留所有的模型參數(shù)設(shè)置,等效于船體 VOF 分析的模板功能,可快速進(jìn)行 CFD 求解計(jì)算。 5415 模型是由 1980 年代海軍水面艦艇的最初設(shè)計(jì)演化而來,幾何模型及尺寸如圖 4.33 和表 4.1 所示。 為獲得合理且精度高的網(wǎng)格模型,可在 PumpLinx 前處理部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,通過 PumpLinx 的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)和局部網(wǎng)格加密技術(shù)可以快速完成船體的分析模型的網(wǎng)格劃分。對(duì)于該驅(qū)逐艦?zāi)Ｐ?Pumplinx 模型網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為 250萬,劃分時(shí)間不到 2 分鐘。其網(wǎng)格模型如下圖所示。
 Pumplinx 的 VOF 模型可以精確模擬船舶外流場(chǎng), 不同工況下的計(jì)算結(jié)果如下圖所示。  對(duì)于驅(qū)逐艦而言,行進(jìn)的速度至關(guān)重要,因此對(duì)阻力的分析必不可少,Pumplinx 的阻力分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如下圖所示,由圖可知,Pumplinx 展現(xiàn)出較高的計(jì)算精度,最大誤差不超過 2.02%。


 結(jié)論綜上所述, 選擇 PumpLinx 作為船舶行業(yè)的流體分析工具是非常合適的, 理由如下:1) PumpLinx 包含大量的專業(yè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板, 可快速完成螺旋槳、 水下航行體以及船用泵閥等運(yùn)動(dòng)部件的高質(zhì)量網(wǎng)格劃分和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置;且可以考慮微米級(jí)間隙以及嚙合間隙的網(wǎng)格生成。2) PumpLinx 的網(wǎng)格記憶和模型覆蓋功能對(duì)于驅(qū)逐艦、集裝箱船等的CFD 分析具有模板功能, 可以借助已有的分析模型快速進(jìn)行模型的搭建和分析,對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)同樣十分適合。3) PumpLinx 大量的運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板包含了大量 CFD 模擬的流程和規(guī)范,降低了對(duì)使用者的 CFD 背景知識(shí)的要求,一般設(shè)計(jì)人員就可以使用。4) PumpLinx 獨(dú)特的網(wǎng)格技術(shù)和快速穩(wěn)定的求解功能,使得 PumpLinx容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的船用運(yùn)動(dòng)機(jī)械 CFD 仿真,為工程師提供更精確可靠的仿真結(jié)果,更好地指導(dǎo)工程師的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。5) PumpLinx 穩(wěn)健而精確的全空化數(shù)值模型和 VOF 多相流模型可以精確解決船用泵閥以及螺旋槳中存在的空化問題,為工程師提供有價(jià)值的計(jì)算結(jié)果。6) PumpLinx 計(jì)算速度通常是同類 CFD 軟件的 1/5 倍左右,因而可以快速計(jì)算。7) Pumplinx 已經(jīng)在 船舶 、航空、航天、 車輛 、泵及工程機(jī)械行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

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