BETVICTOR体育官网泵与系统，2009年2月
泵和压缩机的计算机模拟现在可以起到与硬件测试相同BETVICTOR体育官网的作用。这些模拟可以在更短的时间内完成，成本更低，同时提供类似质量的工程数据。此外，计算机建模可以由进行硬件设计的工程师直接执行，从而在分析和设计优化之间提供了紧密的联系。
计算机泵/压缩机模拟
我们将从定义泵模拟开始。建模和仿真可以采用多种形式，但在本文中，泵仿真具体指的是3-D计算流体动力学(CFD)，如图1所示。
图1。外齿轮油泵CFD模型(表面压力和x-y数据图)
在这种情况下，计算流体力学适用于液体或气体，压缩机或泵，并可用于建模流体电机和广泛的其他流体组件。BETVICTOR体育官网此类CFD代码通常从几何图形的CAD模型开始，然后创建一个表示流经设备的流动路径的三维数值网格。这个网格随后被用于建立基于质量和动量守恒的基本定律的流动动力学模型。这些模型的输出包括流量、负荷、扬程、功率、压力波动、速度和扭矩的图表和三维地图，具体取决于是泵、压缩机还是电机。
对于液体应用，更高级的代码包括曝气和空化。曝气是指存在不凝性气体，如空气;而空化是指液体形成蒸汽。两者都对泵的性能和寿命有显著影响。
如果温度影响性能和性能，例如在压缩机中，代码还必须求解能量守恒方程(图2)。
图2。CFD预测叶状压缩机的空气温度(在切割平面上)
为了更加有效，CFD代码应该提供与硬件测试相同的数据。然而，这些仿真工具是否足够准确、易于使用和快速，以可靠地用作虚拟硬件测试，这个问题经常被提出。
仿真的优势
计算机模拟的一般优点已经得到很好的证实。对于大多数泵/压缩机开发人员来说，几十年来，计算应力模拟一直是他们设计过程中不可或缺的一部分。对于轴向泵、离心泵和正排量泵都是如此。BETVICTOR体育官网相比之下，由于使用困难、周转时间慢、结果不准确或有缺陷，CFD模拟的使用落后于其他计算机模拟工具。
然而，在过去的几年里，最先进的泵建模已经发展到建立一个复杂泵的详细模型只需不到一个小时的时间。这在一定程度上是通过新的网格划分算法实现的，该算法从CAD文件开始，自动生成CFD所需的数值网格。使用更新的软件，在标准桌面上运行模拟现在需要一个小时到一夜，这取决于泵的类型和系统的范围。这些统计数据包括轴向/离心泵和正排量(PD)泵，后者从数值角度建模更具挑战性。BETVICTOR体育官网
与实验数据相比，使用最先进的CFD代码的结果应该在10%以内或更好。通过提供在测试期间收集的相同类型的数据，准确而快速的模拟可以减少与硬件测试相关的时间和成本。通过模拟，很容易在物理实验中很难到达的位置添加“测量”探针。也许最重要的是，数值模拟提供了流动可视化，使工程师能够“查看”泵在运行过程中的内部情况，并为泵的运行方式以及如何改进提供了宝贵的见解。
验证及应用
建模者感兴趣的工程数据与设计人员和测试工程师的数据相同。这些因素包括流量、压力波动、效率、扭矩、功率、水头升高、负载、空化损伤和空化发生。这些数据是CFD工具验证的重点。图3给出了一个例子，其中CFD用于预测新月形泵[1]的流量与RPM。与实验结果的对比表明，该模型准确地捕捉到了由于曝气和空化的共同作用导致的高转速下性能的下降。这种类型的分析用于改进给定泵设计的移植和/或系统集成，或比较泵设计。
图3。月牙形泵的流量预测
CFD还可以像硬件测试一样有效地预测PD泵和轴向/离心泵的扬程、功率和效率。BETVICTOR体育官网例如，图4比较了离心泵的预测效率，并与实测数据[2]显示出良好的相关性。
图4。离心泵的CFD仿真
CFD也用于分析空化效应，甚至可能比硬件测试更有效，因为CFD使分析人员能够轻松地可视化气泡形成的原因和位置。汽蚀会对泵的效率产生不利影响，而且汽蚀还会因蒸汽袋坍塌产生的高压而损坏泵的寿命。空化一直是一个难以建模的问题，因为液体和气体之间的高密度比会导致数值收敛问题和精度问题。因此，许多代码只能模拟空化的发生。然而，CFD技术的最新进展使得建立可靠的深空化模型成为可能，可以预测整个泵内蒸汽和不凝性气体(如空气)的瞬时体积分数[1,3]。
图5显示了轴向柱塞泵中预测的空化位置(由黄圈内新月状的红色点表示)与泵测试[4]期间观察到的实际损伤之间的相关性。考虑到在测试或操作过程中有时需要很长时间才能出现空化损伤，数值预测可能是评估可能的空化损伤的更有效手段。
图5。轴向柱塞泵内空化的CFD预测
上述例子中的所有模拟都是通过应用基本原理(质量和动量守恒)以及空化和/或湍流模型的物理模型来完成的。这些基本原理和模型已经存在了几十年。改变的是它们的实现使用了更复杂的算法。现在，泵和压缩机的CFD代码BETVICTOR体育官网已经发展到可以在不到一天的时间内运行一个详细的3d模型，并生成精确的工程数据，在广泛的运行条件下与实验相比。
为每个设计师集成CFD
可以理解的是，考虑到CFD在过去的困难、不准确性和过度销售，新的CFD工具的提供者需要证明其易用性、计算速度和准确性。同时，CFD的潜在用户也将从CFD工具使用模式的转变中受益。
具体来说，CFD不再是博士专家的专属领域。如果对泵进行精确的虚拟测试需要不到一天的时间，那么泵模拟最有效的使用是在内部进行，这样设计师可以越过模拟工程师的肩膀，反之亦然。如果设计师和建模师是同一个人就更好了。
相比之下，如果建模是由几英里之外的人完成的，在大学里，在中心工程，甚至在隔壁的建筑里，设计师的专业知识和仿真所能提供的洞察力之间的协同作用就会大大降低。设计团队失去了模拟帮助开发的专业知识和理解。外包分析是将内部开发专业技术所带来的权力和知识外包出去。
最好的解决方案是一个紧密集成的方法。美国、欧洲和亚洲的一些主要泵制造商和用户已经采用了这一理念，而且数量还在增长。在未来十年，设计师可以直接使用CFD流动代码，这将与集成应力建模一样普遍。实际上，在切割任何物理硬件之前，每个泵的设计都将首先在计算机上进行测试。其结果将降低成本，加快上市时间，并极大地提高了如何制造更好的泵的内部知识。BETVICTOR体育官网
参考文献
[1]蒋勇，张德东，“一种新月式油泵的三维设计工具”，2008年SAE会议，底特律，密歇根。BETVICTOR体育官网
王秀勇，王灿兴，浙江大学，杭州310027“基于数值模拟方法的离心泵性能预测”，流体机械，2007，第35卷(10)，第9-13页。
[3]辛格尔A. K.，阿塔瓦莱M. M.，李海，蒋艳。2002。全空化模型的数学基础与验证，流体工程学报，2002年第3期，页617-624
[4] O. Meincke和R. Rahmfeld，“轴向柱塞泵空化的测量、分析和仿真”，第六届国际流体动力会议，德拉斯顿，2008。