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汽车工业汽车工业汽车工业汽车工业 泵泵泵泵、 、阀及 阀及阀及阀及 系统级三维系统级三维系统级三维系统级三维 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、阀及系统级三维 CFD 仿真需求分析 . 3 2. 国内外研究与应用现状 . 4 3. PumpLinx 软件功能与技术规格 . 6 3.1 公司简介 . 6 3.2 PumpLinx 软件技术规格 . 6 3.2.1 专业的泵阀模板 . 6 3.2.2 高效的求解器 . 7 3.2.3 独特的专有网格技术 . 7 3.2.4 专业的空化与汽蚀模型 . 9 4. PumpLinx 应用实例 . 11 4.1 冷却水泵 CFD 仿真 . 11 4.2 滑油泵与泵阀联合仿真 . 13 4.3 涡轮增压器仿真 . 22 4.4 系统级三维 CFD 仿真应用 . 23 5. PumpLinx 与同类软件的比较 . 25 6. PumpLinx 技术优势与应用前景 . 27 7. PumpLinx 软件模块与运行环境 . 29 8. PumpLinx 汽车工业典型用户示例 . 30 汽车工业泵、阀及系统级三维 CFD 仿真 PumpLinx 解决方案 3 1. 汽车工业汽车工业汽车工业汽车工业 泵泵泵泵、 、阀及 阀及阀及阀及 系统级三维系统级三维系统级三维系统级三维 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 4 2. 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 6 3. 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。 3.2 PumpLinx 软件软件软件 软件技术规格 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 高效的求解器高效的求解器高效的求解器高效的求解器 快速计算快速计算快速计算快速计算: : :对于不同的泵配置置,如转子泵或叶片泵,已经通过可定制模块预编程到 PumpLinx 之内,几分钟之内就可以完成设置。至于计算速度,在泵类应用方面,PumpLinx 通常比其它 CFD 软件快 5 倍。 高级数值算法高级数值算法高级数值算法高级数值算法: : : PumpLinx 将最新的数值技术与 Simerics 的专有算法相结合,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。 可靠的结果可靠的结果可靠的结果可靠的结果: : : PumpLinx 可精确模拟在泵、马达和其它流体机械内部的三维问题,以及包含蒸汽和不相溶气体的复杂问题。 PumpLinx 的空化模型已经被大量的工程题目所验证,对于许多应用,这一重要特征在其它 CFD 软件里是没有的。 3.2.3 独特的专有网格技术独特的专有网格技术独特的专有网格技术独特的专有网格技术 PumpLinx 包括一个自动化的网格生成器,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叉树( Geometry Conformal Adaptive Binary Tree)算法,既 CAB 算法。 CAB 算法在由封闭表面构成的体域内生成迪卡尔网格。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汽车工业泵、阀及系统级三维 CFD 仿真 PumpLinx 解决方案 8 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。除此之外, PumpLinx 也提供了一个自动化的结构化动网格生成器,专门生成像泵转子这样的动网格。 PumpLinx 的网格技术优点如下: 图图图 图 2: :笛卡尔网格 笛卡尔网格笛卡尔网格笛卡尔网格 自动自动自动 自动、 、 、快速的网格生成 快速的网格生成快速的网格生成快速的网格生成: : :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。 PumpLinx 的自动化网格生成能力能够使用户通过简单的两到三步快速的创建网格。通过二元细化和自适应技术来建立高效、高分辨率的网格,即使尺度差异悬殊的复杂几何也是如此。泵模版提供了针对专门泵部件的网格生成工具。 精确的表达原始几何精确的表达原始几何精确的表达原始几何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。 高质量高质量高质量高质量 /高效率的网格高效率的网格高效率的网格高效率的网格: : : 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。 能够容忍能够容忍能够容忍能够容忍 “烂烂烂 烂 ”几何几何几何 几何: : :许多 CAD 曲面并不是完全贴合,其中可能包含微小缝隙。如果几何包含这样的 “烂 ”特征,经常会导致网格无法生成,因此在划分网格之前,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 ”汽车工业泵、阀及系统级三维 CFD 仿真 PumpLinx 解决方案 9 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,这在一定程度上为用户节约了大量的时间。 图图图 图 3: : PumpLinx 中网格对几何的解析中网格对几何的解析中网格对几何的解析中网格对几何的解析 3.2.4 专业的空化与汽蚀模型专业的空化与汽蚀模型专业的空化与汽蚀模型专业的空化与汽蚀模型 PumpLinx 拥有工业界独一无二的

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