引入专业泵 CFD 仿真软件的必要性

研小慧

- s$ m+ L( z. g4 [' H8 y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


' B' T; k! [# b* q. n( w2 K
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

6 b/ V0 d$ {* \9 n" h9 s% H

4 i: C& ~$ h1 I; l6 g& p6 |/ F' Q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
  R1 a  _  D: f4 H/ X

8 R3 a* e& O; C( F8 R8 K; `' D
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
( ]+ ~3 A2 b& M' }* D
7 y. w; L) G+ N8 i+ x! Q

1 {/ q/ I4 |  c, h9 Q7 s( a: g析。
5 m. \$ l3 _. P' S) p  R& Y: @


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，如涡轮增压器、滑油系统、燃油系统、冷却系统等等。泵阀元件更是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流动的提供动力，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，近些年来，人们也开始研究滑片式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。

- M3 w; {- D8 w9 Z
- Z4 d+ }- Q7 \4 v
在产品设计过程中，需要对各类部件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，各个主机厂都在不遗余力提升产品性能、缩短研发周期。除了传统的试验研究之外，设计部门越来越多地使用计算机仿真手段进行新产品的研发。
6 _% s3 L7 D, \0 b+ a: |


CFD 技术应用广泛在发动机设计领域可以追溯到上个世纪八九十年代，随着
0 M& N0 P/ \5 l( \7 U
: a. |. n' i- Y3 M& F' o

; L( M, U' T8 `5 j7 Z以 Fluent 为代表的商业 CFD 软件的推广，人们对发动机各流体部件进行了大量

( u, \1 ]% o$ {/ v$ k; u/ Z4 d+ F
6 l  D; W" K& O' r, s( N! p
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
2 A8 [9 @! z. \2 I- T


* c1 B- s8 \* t5 q, T" Q" ~! C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
. n( ~; o# d) h! p7 K* ^


6 g9 c4 v& L$ B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
6 _3 a9 `9 t! j5 Q7 U6 r

/ D: C0 a5 m9 v, R  t
8 \( M- b+ T6 c7 P1 I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
6 \! Q& _+ Q3 n: G  g: B
! }+ t- `* d5 w9 N, W# T
2 u0 L+ D8 t4 ~8 I
& j! e8 L" F5 r! Z4 q9 U1 Y  W# u具有相当的挑战性，原因主要有以下几个方面：

, @$ H" u% Z: d9 Q4 X0 B& Q4 s; |Ø 系统流路众多，结构复杂，计算量大；
4 u9 `- t% p, ?! W  C9 p+ K

& f: R4 u2 G  C. y4 E$ J
Ø 泵阀部件涉及流动区域的变化，描述困难；

4 k0 f+ o$ \- R$ }


$ s5 G5 N; A9 R3 [+ X
北京海基嘉盛科技有限公司
7 i. C  e0 \* `; U* i& \; `  f




: C# Y$ R4 P6 z3 k' [+ OØ 空化效应导致计算收敛性差；

; j' J- o$ J: w0 |% ^, O' Y
( [- U: s, S1 X7 B
' Z: \3 |" p  q  j, @) |Ø 部分区域设计微小间隙，不易进行网格划分；

- h, E; d) q# a9 [

PumpLinx 在以上几个方面的模拟上具有独特的技术优势，该软件开发的目
; t: T+ ^+ ?, K' S1 `, k


- e% \- n8 g0 W! ]: g: n标定位就是成为泵阀设计师最有力的 CFD 仿真工具，提高泵阀类元件及其复杂流

3 f$ q/ @% u0 ~

6 Z9 I- F' ?7 K体系统的三维 CFD 仿真分析能力，有效地降低产品的设计成本。
# T" h4 f* [2 |* [/ g/ E
* T) f" @1 W) Y: f7 C

使用 Pumplinx 对各类型泵阀进行模拟，可以快速地评估产品设计方案。

; ]! [9 `0 T" P
0 M+ V1 L' X6 u. d+ y

) p5 ^) V+ i) K4 E
PumpLinx 既可以通过图像直观地展示泵内的流动状况、压力波动及空化现象；
) z( O  q6 n/ V1 ]
, i: O* m- X5 e' ?6 h# M
* {7 Z, l- [6 O. N1 D2 D( a2 n. ~$ H
9 D; ]  S, r9 T" i8 t也可以通过流量曲线、压力曲线等定量地给出泵性能指标。这些直观、详细的信
* U4 w4 W& {' `( L2 B- ?% x
9 a  v4 H3 P/ G# g# {: Q3 B% L

5 R# p8 K% T2 `息，为工程师改进设计方案提供了可依的依据。数值仿真技术可以部分地取代试
0 w6 o$ U1 Q/ M" a# B! ~& g- h3 C; Q4 t

. Y0 j- {( d  k/ w2 F
7 J5 b0 M  g" j% s5 q6 z验，使验证工作转到了计算机虚拟平台上，减少试验的工作量，从而有效地降低

0 z: o$ y( ^( ^1 ^
% R5 @. d, C, L6 w4 [4 L
3 f* j4 T% F2 S" L8 a3 f0 u6 j设计成本，缩短设计周期，提高产品质量。