PumpLinx软件简介及其在核电用泵CFD仿真中的应用

PumpLinx 软件软件简介及其在核电用简介及其在核电用简介及其在核电用泵泵CFD 仿真中的应用

北京海基科技发展有限责任公司

2012年11月

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目录

1.引入专业泵CFD 仿真软件的必要性 (3)

2. PumpLinx 公司及软件介绍 (4)

2.1 公司介绍.............................................................................................................4 2.2 P UMP L INX 软件介绍............................................................................................4 2.2.1 PumpLinx 专业的泵、阀模板. (4)

2.2.2 PumpLinx 高效的求解器 (5)

2.2.3 PumpLinx 独特的专有网格技术 (5)

2.2.4 PumpLinx 专业的空化与汽蚀模型 (7)

2.2.5 计算结果的可靠性 (7)

3. PumpLinx 的应用范围 (8)

4. PumpLinx 在核电用泵中的典型应用 (13)

4.1 核电用单级轴流冷却水泵的仿真 (13)

4.2 核电用离心泵仿真 (15)

4.3 双吸离心泵仿真 (16)

4.4 多级离心泵及其他应用仿真 (19)

5. PumpLinx 模块模块配置清单..............................................................................22

6. 总结........................................................................................................................23 y w w w .h i k e y t e c h .c o m H i -K e

1.引入引入专业泵专业泵CFD 仿真软件仿真软件的必要性的必要性 随着世界工业发展水平和人类生活水平对能源需求量的不断提高，世界范围内，以石化燃料为主的一次能源逐渐枯竭；从现有的可再生能源看，水力资源开发难度逐渐加大；太阳能、风能等一时难以作为大规模能源补充，受气象和地理条件限制，开发能力有限。核电作为清洁能源，将备受关注，开发核能已成为当今解决能源问题的重要途径，因此核电用泵的需求和发展也将显著增长。目前核电用泵主要集中在核主泵、核二级泵、主给水泵、循环水泵等。 对于泵类元件设计来说，主要是采用试验的手段。工程师在原型机的基础上，采用手册上的公式和以往的经验，根据具体型号的要求，设计出泵的类型、尺寸等信息，再加工出实物进行试验。试验员将出现的问题反馈给设计部门进行改进设计。这就意味着从设计到试验，再到产品满足要求，中间会出现多次的反复。而试验环节不仅成本高，周期长，而且由于试验手段的限制，对设计缺陷的诊断

也很困难，对于如何改进往往无从下手。 这样的设计流程通常跟不上型号的进度。问题的关键在于：在设计和试验中间，缺少一个过渡环节：数值仿真环节。该环节能较快的将设计方案进行数值模拟，确定泵内的流动状况、压力波动及空化现象。为工程师提供更直观、具体的信息，使方案的改进有据可依。数值仿真技术可以部分地取代试验，使验证工作转到了计算机虚拟平台上，减少试验的工作量。从而有效地降低设计成本，缩短设计周期，提高产品质量。

随着计算机技术和数值算法的不断进步，数值仿真软件逐渐成为工程设计人

员进行产品研发的得力助手。

泵的CFD （计算流体力学）模拟就是利用现代CFD 技术模拟泵的流量、扬程、轴功率、效率等参数。这样，在泵的设计阶段就可以了解泵的性能，避免设计失误，减少试验成本，缩短设计周期。因此，现代CFD 技术已经成为广泛采用的设计技术。PumpLinx 软件就是Simerics 公司针对泵、阀、水下航行体等运动机械而专门开发的一款专业CFD 软件，对于核电用泵的CFD 模拟来说，PumpLinx 具有更好的适应性、专业性和易用性。

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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 仿真工具来支持您公司的研发。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 软件竞争激烈的工程机械行业迅速打开市场。目前美国Flowserve 、伊顿、格兰富集团等都是PumpLinx 正式用户；在国内，哈电、上海核工程研究设计院、

佳木斯电机、船舶705所、湖南机油泵、江苏大学等单位均是PumpLinx 的正式用户。 2.2 PumpLinx 软件软件介绍介绍

PumpLinx 是美国Simerics 公司特别针对泵阀及水下航行体等流体力学数值模拟而开发的一款CFD 软件，它的目标是成为工程师最有力的数值模拟工具（预

测空化、压力、流动及换热）

，帮助工程师更好的设计泵、阀及水下航行体等流体机械设备。

2.2.1 PumpLinx 专业的泵专业的泵、、阀模板

PumpLinx 具备专业的泵阀模板，可快速完成计算模型及边界条件设置。模板针对不同类型的泵阀CFD 模拟将对应的流程和规范内置到PumpLinx 软件中，使CFD 模拟的设置简单化，保证了计算的准确性和可靠性。

PumpLinx 可以求解比其它商用软件更多类型的泵阀等运动机械，PumpLinx 当前包含以下设计模板：

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图2.1 PumpLinx 内置不同类型泵模板

2.2.2 PumpLinx 高效的求解器

快速设置及计算：对于不同的泵配置，如离心泵或转子泵，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，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。在泵类应用方面，PumpLinx 通常比其它CFD 代码快5倍。

2.2.3 PumpLinx 独特的专有网格技术

PumpLinx 包括一个自动化的网格生成器，它可以快速的生成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元树（geometryConformalAdaptativeBinary-tree ）算法，既CAB 算法，CAB 算法在由封闭表面构成的体域生成笛卡尔六面体网格。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网格生成器，针对不同类型的容积泵（如齿轮泵、柱塞泵、滑片泵等一系列容积泵）而内置不同的结构化网格模板，一分钟之内即可生成不同类型泵转子的结构网格，极大地降低了网w

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格划分的难度，显著提高了网格划分的速度。

图2.2 PumpLinx 自适应二叉树网格技术

PumpLinx 的网格网格技术特点如下技术特点如下技术特点如下：：

高度自动化的网格生成及动网格模板：PumpLinx 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。对于不同类型的转子泵，PumpLinx 提供了专门针对泵转子部件的动网格模板，用户可在几十秒内完成转子区域结构网格的划分，大大提高了工程师的工作效率。

图2.3 PumpLinx 笛卡尔网格技术 图2.4 PumpLinx 结构化网格模板 精确表达原始几何：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或体网格密度来实现网格局部加密，直接控制网格质量。

高质量/高效率的网格：CAB 通常生成更适合于高精度算法的笛卡尔六面体网格。对于同样的精度水平，比四面体网格相比数量更少。

能够容忍“烂”几何：许多CAD 曲面并不是完全贴合。它们也许有小缝隙，y w

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或者是没有专门缝合在一起。如果几何包含这样的“烂”特征，许多网格生成算

法会失败，因此在生成之前，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”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。

2.2.4 PumpLinx专业的空化与汽蚀模型

PumpLinx拥有工业界独一无二的空化（汽蚀）模型，该模型基于 A shok.Singhal 和Jiang Yu等人提出的全空化模型。全空化模型是基于两相流的模

型思想，用Rayleigh-plesset方程求解气泡变化的动态过程，引入了混合密度的

概念，并综合考虑了液体的可压缩性、非凝结气体以及蒸汽的蒸发和凝结过程。

空化模型经历了真实应用的测试和验证，这一模型的特别之处在于对特别困难的

问题，在其它软件都失败的情况下，PumpLinx依然可以收敛。除此之外，该空

化模型不但能准确地预测汽蚀对效率的影响，还可以准确地预测汽蚀损害可能发

生的位置，对于设计人员说这一功能是非常重要的。

2.2.5 计算结果的可靠性

PumpLinx可以精确模拟包括离心泵、轴流泵及其它流体机械在内的流动问题，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。

如下图为不同流体机械汽蚀损害区域模拟与试验的对比情况。

图2.5 PumpLinx汽蚀损害模拟区域与试验的对比

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（2）轴流泵/扇 （4）正位移泵/马达

图3.1 离心泵压力分布 图3.2 轴流泵压力分布和空化

图3.3 核电用混流泵模拟核电用混流泵模拟压力分布压力分布

图3.4 核电用核电用多级泵模拟多级泵模拟

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图3.5 双吸泵的临界汽蚀余量预测 图3.6 离心离心泵泵流场模拟 将PumpLinx 应用于离心泵/风机、轴流泵/扇、混流泵/扇、正位移泵/马达等，可获得泵的相关参数从而指导泵的设计，主要包括：—叶轮轴向力和径向力；—扬程－流量曲线；—出口的压力脉动（瞬态模拟）；—汽蚀发生位置，预测临界汽蚀余量；—定子和转子设计；—入口和出口通道设计；—叶尖和机匣间缝隙分析；—优化性能；—降低叶片载荷；—降低汽蚀对泵效的影响，延长泵寿命。

（5）外齿轮泵

图3.7 外齿轮泵汽蚀位置对比 图3.8 多级外齿轮泵压力分布 （6）内齿轮泵（转子泵）

图3.9摆线摆线内齿轮泵的内齿轮泵的内齿轮泵的压力分布压力分布 图3.10 摆线摆线内齿轮泵的内齿轮泵的内齿轮泵的空化分布空化分布 w w w .h i k e y t e c h H i -K

（7）新月形内齿轮

图3.11新月形内齿轮泵空化

PumpLinx 内置有外啮合、内啮合、新月形齿轮泵的动网格模板，可直接生成齿轮部分的结构网格，且可自动考虑齿轮的端面间隙，使模拟结果与实际更接近，精度更高。将PumpLinx 应用于外齿轮、内齿轮、新月形内齿轮设计可以实现：—齿轮设计；—进出端口设计；—降低泄漏；—降低压力、流量脉动和噪声；—降低汽蚀对泵效的影响，延长泵寿命。

（8）轴向柱塞泵

图3.12 轴向柱塞泵空化及实验中汽蚀位置

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将PumpLinx 应用于轴向柱塞泵设计可以实现：—实现单个汽缸参数的瞬态追踪，进而优化单个汽缸设计；—轴向力和径向力；—入口和出口通道设计；—阀片设计；—考虑泄漏间隙的影响，降低泄漏；—降低压力、流量脉动和噪声；—预测汽蚀位置，降低汽蚀对泵效的影响，延长泵寿命。 （9）滑片泵

图3.13滑片泵空化滑片泵空化分布分布 图3.14滑片泵滑片泵压力分布压力分布

PumpLinx 内置有滑片泵动网格模板，可自动划分转子部分的结构网格，可考虑微米级别的端面间隙。此外，PumpLinx 内置有变排量滑片泵模板，可模拟摆动式和往复式变排量滑片泵的内部流场，实现变排量滑片泵的模拟和优化设计。将PumpLinx 应用于滑片泵设计可以实现：—叶片设计；—进口和出口流道设计；—降低泄漏；—降低压力波和噪声；—降低汽蚀对泵效的影响，延长泵寿命；—摆动/往复式变排量泵的优化设计。

（10）其他

图3.15 液体环式泵压力液体环式泵压力及及泵空化泵空化分布分布

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图3.16 水轮机流场压力分布水轮机流场压力分布图图 图3.17 PumpLinx 液力变矩器模拟

图3.18 阀门阀门模拟模拟

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某轴流泵用于核电站冷却系统。由于核电站升级（增大发电量），要求相应增加冷却水泵的冷却输送量，同时需尽可能地抑制叶轮表面的空化。该案例采用

1:4缩比模型测试新型叶轮、导向器的性能，通过模型试验确定了该轴流泵的最终结构。并通过与试验值进行对比，证明了PumpLinx 数值模拟结果的可靠性。

图4.1 试验装置示意图

图4.2 轴流泵模型及网格

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图4.3 计算结果

图4.4 性能曲线对比

图4.5 空化现象对比空化现象对比（（计算 vs 试验试验））

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4.2 核电用离心泵仿真

核电厂离心泵应用较广，例如核主泵、安全系统用离心泵、常规岛用离心泵以及核岛用离心泵等，因此对离心泵性能分析也显得尤为总要。作为一种应用性广泛的机械元件，离心泵在CFD 仿真领域所存在的难题有：离心泵间隙的的考虑、离心泵内流场气蚀特性的准确模拟以及离心泵仿真结果的准确性。针对上述难点，PumpLinx 内置的间隙网格模板、全空化模型、精确快速的求解器都很好地解决了上述难题。如下图为某一离心泵的流体域模型。

图4.6 离心泵流体域模型 图4.7 离心泵网格模型

该离心泵在多处都有极细小的间隙存在，因此在网格划分上存在一定难度，从而影响结果的精度。PumpLinx 基于二叉树算法的笛卡尔网格划分技术，在划分网格时快速、简便，网格质量好、网格数少。对于该离心泵只需2分钟即可完成整个离心泵高质量网格的划分。同时对于离心泵间隙的考虑，PumpLinx 内置有间隙网格模板，可考虑微米量级的结构化间隙网格，如图4.8即为其中某一间隙的网格模型。

图4.8 离心泵网格模板考虑薄壁间隙

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通过PumpLinx 对该离心泵进行数值模拟，可快速得到其流量、压力、速度、切应力、气蚀损害等性能的预测。通过对该离心泵进行多工况的预测，得到该离心泵的P-Q 曲线，并将该P-Q 曲线与试验值对比验证了PumpLinx 计算结果的精确性。

图4.9 离心泵流场压力分布 图4.10 离心泵流线分布

P-Q曲线

20

40

6080

100

0510152025

流量（m3/h）扬程（m ）CAE值试验值

图4.11 离心泵P-Q 曲线对比

4.3 双吸双吸离心泵仿真离心泵仿真

PumpLinx 独特的笛卡尔网格划分方法可以快速划分离心泵网格（10分钟以内），其内置的离心泵模板不仅在模型设置上更为简便快速，同时其计算方法也经过优化，相对于同类软件而言其计算速度更为快速，30分钟即可完成一个稳态工况的解算。

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图4.12 双吸式离心泵双吸式离心泵的的CAD 模型

图4.13 双吸式离心泵PumpLinx 计算网格

图4.14 空化区域 图4.15 汽蚀损害区域 PumpLinx 特有的气蚀损害模型（Cavitation Damage Model ） ，可以对部件表面的损伤进行评估，为工程师的改进设计提供合理判据。由上图可见，空化区域和汽蚀损害区域并不完全一致，造成损害的区域一般在空泡溃灭的区域，并与溃灭速率、气化潜热和过流面硬度等有关。汽蚀损伤的指标为汽蚀损害能量y w

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（Cavitation Damage Power ），单位为W 。典型地，当某区域的该值超过5 × 108W

时，意味着很有可能造成汽蚀损伤。

图4.16 转轴中截面处的压力分布

图4.17 涡壳涡壳、、叶轮上的压力分布

图4.18 不同进口条件下叶轮体积分数分布

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图4.19 扬程-进口压力变化曲线 上图该双吸泵扬程随进口压力的变化情况。可见，在进口压力较大时，泵内汽蚀区域分布较小，泵扬程保持在恒定的21.4m 左右，与试验值21m 相差较小；

当降低至某一值时（115KPa ）

，扬程急剧下降，并随着气蚀程度的加剧而增大。以流量不变条件下扬程下降3%作为水泵发生汽蚀的依据，计算得该双吸泵必须汽蚀余量为11.4m ，与试验值12.2m 相比误差较小，验证了PumpLinx 计算结果的准确性，同时也可利用PumpLinx 的数值仿真结果及分析对该双吸泵进行优化设计，提高其性能。

4.4 多级离心泵多级离心泵及其他应用及其他应用及其他应用仿真仿真

多级离心泵广泛应用于城市供水、农田灌溉、森林消防等各个行业。多级离心泵的仿真由于受网格数量的影响，计算速度会受到限制，同时泵内汽蚀流动的复杂性也会影响仿真结果。PumpLinx 由于本身具有强大的网格划分能力，在网格数量上相比其他软件更少，精度更高，同时其强大的计算速度和稳健的汽蚀模型都为多级离心泵的仿真提供了有利的保障。

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图4.20 多级离心泵仿真

图4.21 离心泵压力分布

图4.22 带诱导诱导轮的离心泵轮的离心泵轮的离心泵压力分布压力分布 图4.23 槽叶轮泵压力分布 w w w .h i k e y t e c h H i -K