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简析流体仿真模型的求解设置

[ 时间:2018-01-13  来源:http://www.gygpumps.com/ 作者:广一水泵厂 点击: ]

流体仿真模型建成以后,并进行了网格划分,然后需要在CFX的前处理模块中导入仿真模型,并对水泵仿真模型的分析类型、流体域性质、边界条件、初始化条件、求解器控制、输出控制等选项进行设置。

 

对于本无阀气体压电泵,压电振子作周期性振动,容腔先吸入气体,然后再排出气体,如此反复进行,气体在泵内部的流动状态非常复杂,属于非定常流动,所以分析类型选择瞬态模型(Transient)。对压电振子施加100Hz的交流电压,一个周期T=0.01s,分析四个周期(4T),所以计算持续时间为0.04s,时间步长为0.00025s,即每个周期进行40次运算。

 

大气压力为一个标准大气压,选择动网格模拟压电振子的振动规律。热量传输模型选择等温线模型。工作介质为25°C的空气,广一离心泵中的流动一般为不可压缩瞬态湍流问题,湍流模型选择k-Epsilon模型,该模型进行湍流模拟时准确性高,且容易收敛,是工程中最常用的湍流模型。

 

五种不同的边界类型,包括:入口边界、出口边界、开放式边界、壁面边界以及对称面边界等类型。建立仿真模型时,将流体模型划分成in、out、zhenzi、walldown、wallside、wallup以及默认区域(Domain1Default)等部分。各部分所在位置如下图所示:

in是流体域的4个入口,位于泵腔柱面位置,均匀对称布置,如图1(a)所示;out是流体域的出口,如图1(c)所示,将in和out的边界条件设置为开放式出口边界条件,因为此条件允许该条件所在位置既可以做入口也可以做出口,或者同时做出口和入口,非常适合本仿真的实际情况,流型选择亚音速边界条件,网格运动设置为静止;wallside包括4个小柱面,分别位于泵腔柱面且与入口位置相间布置均匀分布,如图1(b)所示;wallup包括泵腔顶面及出口柱面,如图1(d)所示;默认区域(Domain1Default)包括泵腔底面、容腔顶面及射流孔的柱面,将wallside、wallup以及默认区域(Domain1Default)等区域设置为壁面边界条件,流体无法穿越壁面,壁面网格运动选择固定,质量与动量设置为无滑移,即贴近壁面处的空气流速默认为0,壁面粗糙度设置为光滑;walldown位于容腔柱面,如图1(e)所示,边界条件设置为壁面,壁面网格运动选项设置为未指定,这是因为walldown和压电振子所在的位置(zhenzi)相接触,而压电振子会在交变电压的作用下产生往复位移,而选项未指定(Unspecified)具有如下性质,即它不指定移动方式与位置,运动由设置在其他部分的移动决定,walldown的质量与动量选项为无滑移边界,壁面粗糙度值为光滑壁面;zhenzi位于容腔的底部,边界条件为壁面,网格运动选项设置为指定位移,广一水泵厂通过zhenzi的网格位移模拟压电振子的振动规律,这种移动位移是相对于最初网格设定的位移选项选择笛卡尔分量(CartesianComponents),X分量和Y分量均设置为0m。

图1:流体域边界划分图

流体域边界划分图

在0T时刻,压电振子处于向上运动阶段,并运动至平衡位置,挤压容腔,容腔中的体积变小,压力变大,气体从容腔中进入泵腔,形成射流,产生漩涡对,如0T时刻中的速度流线,在轴线左右两侧有两个明显的漩涡流线,漩涡对对周围的气体具有卷吸作用并且以自诱导速度向出口运动;轴线位置的速度最大,并且不断向水泵模型的出口运动,由于在0T时刻,压电振子向上振动速度最大,此时产生的气流亦处于最大值,为10.45m/s;从射流孔中射流出来的气体并没有全部进入到出口,而是有少部分气体在靠近泵盖位置向入口方向移动。在0T时刻有气体从无阀气体压电泵的出口中排出。

 

可以看到,速度高速区域集中在射流孔上端边缘位置,表明气体主要从射流孔上端边缘位置进入容腔,在射流孔上端位置和出口起始端位置的中间区域出现气体速度低速区,表明在该区域出现了明显的气流分离现象,在出口中的气体矢量图颜色变浅,表明出口流速降低,但是依然有气体从出口外端流入到外部环境中。

 

从无阀气体压电泵整个周期的仿真结果中可以看到,该泵工作原理的本质是利用压电振子产生周期性振动,引起容腔的体积产生周期性变化,产生漩涡对,利用合成射流的原理,将气体从入口搬运到出口,在广一化工泵的出口产生持续的出流能力,容腔在气体搬运的过程中起到了一个过渡容积的作用。

 

本无阀气体压电泵的主要性能评价指标是流量。选取对流量影响较大的四个结构参数一容腔高度、泵腔高度射流孔直径、出口直径进行仿真对比分析,考察各个结构参数对流量的影响规律。为了比较容腔高度对流量的影响,改变容腔高度,其他结构参数不变进行仿真,容腔高度分别为0.1mm〜0.5mm,驱动频率200Hz,通过对比仿真,得到不同容腔高度下的流量变化曲线。

 

流量随泵腔高度的升高而增加,达到最大值后,开始降低。当泵腔高度为0.4mm时,无阀气体压电泵的流量最小是505ml/min当泵腔高度为1.4mm时,无阀气体压电泵的流量达到最大值为1025ml/min,然后流量开始下降。在泵腔高度不断变化的过程中,无阀气体压电泵的最大流量是最小流量的两倍多,差值较大,所以泵腔高度是影响无阀气体压电泵流量的重要结构参数。

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