隔膜泵的流体仿真方案 - 研发埠教育 - 专注于工程研发仿真（CAE）知识学习

1.背景概述

随着科学技术的飞速发展，对输送流量大、压力高、温度高和高腐蚀介质泵的需求越来越多。隔膜泵是集活塞泵和压力泵坚固耐用等优点，克服活塞泵密封件易磨损等缺点而发展起来的一种理想的往复式泵,它结构简单，可以高效、可靠地输送具有化学和机械侵蚀性、浓度各异的流体介质的长距离高扬程的输送。

隔膜泵工作时，曲柄连杆机构在电动机的驱动下，带动柱塞作往复运动，柱塞的运动通过液缸内的工作液/气体而传到隔膜，使隔膜来回鼓动。由于隔膜的变形特征，使得在进行隔膜泵的流体仿真时难以对隔膜的容腔变化运动进行定义，一般来说需要考虑流固双向耦合的方法才可以较好的描述隔膜泵的运动流场。鉴于双向流固耦合的难度和代价太高，因此基于数值仿真的技术探讨较少。

今天小编介绍一种简化模型的处理方法，既可以获得较为合理的结果，同时又可以在较短的时间内获得理想的可靠的计算结果。

2.隔膜泵工作原理

隔膜泵是容积泵中较为特殊的一种形式。它是依靠隔膜片的来回鼓动改变工作室容积从而吸入和排出流体的。当隔膜片向传动机构一边运动，泵缸内工作时为负压而吸入流体，当隔膜片向另一边运动时，则排出流体。

隔膜泵工作原理动画

3.隔膜泵流体仿真难点及解决方案

3.1难点概述

隔膜泵主要是通过膜片变形并配合阀门实现流体的吸入与排出过程，采用CFD分析手段进行泵内流场特性分析还存在一些难以解决的技术问题：

需要模拟隔膜泵腔由于膜片变形引起的容积变化，涉及到腔内压力与隔膜变形的双向交互作用，网格建立和动网格描述均比较困难。
隔膜泵进出口一般配有单向阀，需要建立泵阀联合的仿真模型。阀门在建立瞬态流场时需要建立动网格和流固耦合运动的动力平衡方程，这部分对于网格质量（避免负网格）和动力学模型建立的准确性要求较高。
阀门结构不同，部分单向阀（如球阀）需要考虑多自由度运动的特征，对于网格的要求和动力学模型建立的要求更高。
在计算模型方面，液动隔膜泵往往需要模拟泵内的空化效应，这对计算模型的收敛性和鲁棒性均提出了要求。部分隔膜泵为双泵模型，结合单向阀的进出匹配性特征需要评估，在建立CFD模型时网格数量、时间步长等均对求解器的效率提出了要求。

3.2CFD仿真解决方案

针对隔膜泵的泵腔变形运动，本文采用了一种简化的思路，同时采用SimericsMP+作为隔膜泵的数值仿真工具，具体的解决方案如下：

根据已知数据对泵腔的变形运动进行预定义，例如可以根据已知的周期、最大位移、最小位移，变形规律等以二次开发的形式，将隔膜泵腔随时间变化的规律预定义。对于部分变形比较规律隔膜泵而言，该方法也可以获得较准确的结果；
对于泵腔变形规律比较大的情况，也可以通过结构变形计算获得泵腔变形的位移数据，在SimericsMP+中通过插值定义即可。当然如果有试验测得的压力-变形位移数据，或是时间-变形位移数据，也可以通过插值方法描述更准确的泵腔流体运动；
对于进出口阀门运动的模拟，则采用SimericsMP+的阀模板进行网格构建，通过调用自由度模型构建阀门运动动力学方程，阀门建模全过程均无需二次开发，且可以有效避免阀门运动的负网格问题、支持阀门全关模拟、并确保动力学模型建立的准确性。一般来说一个阀门模型对应一个自由度模型，SimericsMP+可以支持调用多个阀模板。
SimericsMP+最新版本可支持球阀多自由度的仿真分析。

球阀多自由度仿真

气动隔膜泵调用SimericsMP+的湍流模型，采用理想气体模拟求解即可。液动隔膜泵一般需要调用湍流模型和全空化数值分析模型进行求解。

4.基于SimericsMP+的隔膜泵仿真实例

4.1 网格模型

SimericsMP网格功能强大，具有笛卡尔通用网格、运动机械模板网格和通用模板网格等功能。本案例中除阀门运动区域采用阀模板生成网格之外，其他区域均采用笛卡尔通用网格生成。最终网格数量为235万。注意下方图片仅为demo示意图，实际仿真过程中可以视模型精度和硬件配置对网格进行细化。

隔膜泵网格模型

4.2 动网格设置

泵内腔运动通过二次开发实现，通过已知的运动规律定义泵内腔运动。如下图所示，由于本案例中泵腔的容积变形较为规律，其变形区域基本位于黄色的三角区域中，因此可以利用二次开发的方式，结合活塞的周期变化特性，定义该部分的动网格。对于变形较大的情况，则可以考虑采用试验或结构仿真获得的数据进行定义。
本模型为双泵模型，进出口有4个阀门，因此调用4个阀模板和4个自由度模型，通过自由度模型自动构建阀门运动的常微分方程，模拟阀门的运动特性。