通过CFD改善泵和压缩机的性能

泵和压缩机的特征通常是复杂的几何形状、运动和物理现象，例如气蚀、压力脉动和振动，所有这些都会影响设备的效率和可靠性。

考虑这些因素对于设计最佳机器至关重要，而计算流体力学（CFD）是可以简化流程的工具。CFD可以预测给定系统中的流体行为，并且与构建原型和进行实验测量相比，可以帮助用户以较低的成本优化设计。

• 什么是CFD？

CFD是解决和分析涉及流体流动的问题的一种数值方法。设置CFD模拟的典型工作流程始于几何图形的CAD模型。然后将模拟域划分为离散的计算单元，称为网格。

网格的属性（单元的大小、形状和位置）将决定求解的精度。

因此，正确设置网格对于获得有用的结果至关重要。传统上，网格划分是由CFD工程师手动执行的，但是该过程可能很费力，需要几天甚至几周的时间，特别是对于几何形状不断变化的应用（例如泵和压缩机）。如今，先进的CFD代码提供了自动网格生成功能，它消除了这一耗时的步骤，并使用算法来创建针对特定情况进行了优化的网格。

一旦创建了网格，就选择了流体运动、湍流、热传递等相关的物理模型，并定义了边界条件。在仿真过程中，在每个时间步迭代求解控制方程。某些CFD代码提供的功能可在整个仿真过程中调整计算网格，以在用户需要它们的位置和位置添加单元以捕获复杂的物理现象。

然后可以使用后处理软件查看和分析仿真结果。

• 为何用CFD？
  

CFD使工程师可以在运行过程中“观察”泵或压缩机内部，从而可以深入了解正在发生的物理过程。CFD通常采用多物理场方法，使用户能够分析重要现象，例如流固耦合、气蚀和热膨胀。了解流体运动与泵或压缩机中阀门和其他运动部件的运动之间的相互作用至关重要。流体-结构相互作用建模使用户可以准确模拟流体和固体组分之间的真实相互作用。

空化是另一个要分析的重要现象，因为它会严重损坏机器。多相建模捕获了液相和气相之间的相互作用和过渡，使用户可以预测空化的发生并确定如何修改设计以避免出现空化。

对于像螺杆压缩机这样的机器，可以使用传热模型来分析热膨胀对间隙尺寸的影响。通过CFD获得的知识可用于改进泵/压缩机的设计。

除了研究特定现象外，CFD仿真还提供虚拟测量，使用户可以在构建昂贵的物理原型之前在任何时候分析泵或压缩机的整体性能。这不仅节省了时间和金钱，而且用户还可以测试更多的设计。通过自动生成网格，可以轻松地为各种几何形状设置仿真，并且该过程的结果是缩短了求解时间。

一些CFD软件包提供专门用于设计优化研究的工具。例如，遗传算法优化是一种调用“适者生存”方法来有效优化设计的技术。这些工具可以加快过程。

总体而言，将CFD集成到开发工作流程中可以使用户创建更好的产品并将其更快地推向市场，从而在竞争激烈的市场中占据优势。

CFD方法论已针对多种类型的泵和压缩机进行了验证。这是两个示例：摆线泵和涡旋压缩机。

• 摆线泵

摆线转子泵通常用于液压马达，由壳体内的一个内齿轮和一个外齿轮的偏心齿轮转子组成。转子形成密封腔，随着流体的泵入，密封腔的体积和形状会发生变化，重要的是要保持尽可能小的间隙，以最大程度地减少密封管线上的泄漏损失。

为了设计有效的摆线泵，用户必须准确地对密封建模，并且有几种CFD方法可以实现这一目的。一种选择是完全封闭密封，这将加快仿真速度，但是这种方法不能捕获物理系统中发生的泄漏流。

可以选择通过添加足够密度的单元来解决间隙中的流动。此选项是准确的，但需要更多时间和计算资源。另一种方法是使用间隙模型，该模型在间隙中需要较少的单元，并在计算成本和完全解决泄漏流的准确性之间取得平衡。

在此示例中，进行了CFD研究，以研究摆线泵中不同速度和压力下不同游隙值对油流量的影响。

图像2显示了特定游隙值的结果，每行代表不同的速度。在特定的点上，气蚀效应会导致测得的油流量值下降。这项特殊研究的目的不是预测气穴现象，因此模拟结果在5 bar处停止。

但是请注意，CFD可以使用适当的模型预测气蚀现象。

在本研究中，图像2中的CFD结果（蓝色圆圈）通常与测量值（黑色线）非常吻合。

• 涡旋压缩机

降低噪音和提高效率是涡旋压缩机的两个主要设计重点，涡旋压缩机通常在制冷应用中使用。

重要的是研究改变几何形状如何影响压缩机效率和脉动水平。涡旋压缩机的几何形状很复杂，此外，CFD模型必须考虑阀门的动态特性。

为了模拟诸如涡旋压缩机的运动几何形状，某些CFD代码依赖于随几何形状运动的网格。但是，移动的网格会引入数值粘度伪影，从而降低结果的准确性。

在此示例中，使用了具有修改后的切孔策略的固定网格。固定网格具有较高的准确性和稳定性，不会引入与网格运动有关的数值扩散。此外，切割单元方法完美地表示了基础几何形状，并允许边界运动，同时保留了质量，动量，能量和种类。

图4显示了整体质量流量的结果，这是确定涡旋压缩机CFD的关键参数，是决定压缩机的冷却能力和效率的关键参数。1CFD模型与实测数据非常吻合。

高保真的三维CFD研究对于设计和优化泵和压缩机非常有价值。过去，运行CFD模拟需要专门的培训和较长的等待时间才能获得结果。

如今，CFD软件包包括图形用户界面，可引导用户完成设置仿真过程的过程，而所需的培训最少。此外，改进的硬件和高性能计算的引入减少了仿真运行时间，为设计研究提供了快速周转的方法。【完】

文章来源：兴隆机电