利用軟件對流體狀態進行數字仿真是計算流體機械能量的重要工具。但在實際應用中，此工具卻常常被邊界條件所限制。因此，在對容積泵進行流體仿真時，采用了內嵌邊界方法。

盡管數字化的流體仿真技術是流體機械重要而可靠的設計與計算工具，但在實際應用中總會受到一些限制，尤其是對2D或3D容積泵進行模擬時更是如此。由于流場形狀復雜，而且變化多端，因此要完成完全貼合實際情況的流體仿真網絡過程和計算過程十分繁復，可謂困難重重。因此，人們往往會選擇更簡單的一維和零維流體仿真方法，雖然準確度不夠。

適用于容積泵的多維CFD模擬方法

如果想要對容積泵工作時的所有動作進行檢驗分析，就必需使用更準確的仿真工具。這種方法就是基于2D或者3D的CFD模擬方法。在實際應用中，人們很少關注CFD，因為在容積泵中存在很多流體現象，可能同時出現很多需要解決的任務：隨時間變化的不穩定流動太強；出現的紊流要求有相應的數學模型；轉子與泵體間極小的間隙要求計算機有很強的間隙分辨率（Spaltaufl?sung）；狹窄區和縫隙區從紊流到層流的主流場的過渡；由轉子幾何形狀決定的吸入側開啟過程中出現的氣蝕現象；與旋轉角度有關的復雜橫截面封閉空間內不斷變化的流量空間。

圖1 內嵌邊界法是一種適于對工作著的容積泵進行模擬仿真的方法

種類決定流體仿真方法

為了解決容積泵運轉工作時復雜流量過程中的模擬計算問題，需要選擇適于此類泵的特殊模擬方法。在現有的眾多流體仿真方法中只有少數幾個是數字仿真方法，而這些也可以在商業化的CFD軟件包中找到。

適用于對運轉中的容積泵進行CFD模擬仿真的方法主要有兩類。其一是常用的ALE拉格朗日-歐拉描述的有限元分析，其包含了在流體技術領域中使用的“移動網格法”。在這種方法中，描述液流空間的計算網絡隨著每一個時間點都在變化；因此可以同時表示轉子泵的轉子、齒輪嚙合或者類似運動的變形。在變形較大的地方還增加或者減少了一些小的計算單元。

“FD虛擬區域方法”是一類能夠完全按照對比的方式對容積泵運轉情況進行模擬的流體仿真方法。本文介紹的能夠精確完成流體仿真的內嵌邊界法就是其中的一種方法（圖1）。

復雜幾何運動時流體仿真的簡單計算

利用Ansys CFX 12.1版流體分析和仿真軟件首次實現了用內嵌邊界法有效的對復雜幾何運動的流體進行流體仿真和分析。在使用這一方法時，原則上需要兩個CFD域：一方面要有一個能夠描述整個泵體內產生的流體，另一方面要為流體單獨定義一個內嵌邊界。然后將運轉的流體嵌入到泵體之內，這樣就能得出流體和固體計算網絡重疊的區域了。

Ansys CFX軟件能夠識別流體和固體計算網絡重疊的區域；并在這種情況下自動添加描述泵體內流動過程的納維-斯托克斯方程（機械力及慣性力）。在它們的作用下，容積泵的轉子出現旋轉運動。在轉子邊緣處表示的是轉子的運動速度。這樣就可以清楚計算出固體是如何影響泵體內的流體流動的。

圖2 利用CFD計算的轉子泵中間部分速度曲線和矢量曲線

無需在特定時步重新網格化

采用Ansys CFX軟件的優點是：省略了移動網格法需在特定時步進行的復雜而耗時的重新網格化。當有了相應的計算網格分辨率時，可以短時間的在一個不變的流體網絡中使用。當利用內嵌邊界法進行CFD計算時應注意根據使用情況選擇正確的計算網絡，計算網絡在高壓和高速范圍空間內的分辨率應有合適的清晰度。瞬變流仿真的時步大小也要給予高度關注。

因此，建議在要求較高的CFD仿真分析開始前首先找到最佳數學模型。這樣才能獲得與機械試驗最具可比性的仿真結果。利用CFD數字仿真可實現的重復精度很高，以旋轉活塞為例，輸送特性曲線與效率曲線的誤差范圍可控制在±3%。利用該方法獲得的轉子泵的速度曲線和矢量圖參見圖2。這里，轉子的位置可以是轉子間隙完全封閉的任意位置，從而可以得到轉子泵輸出端為最大壓力時的流體仿真情況。

微型齒輪泵的計算結果也類似。但要注意：齒輪泵輪齒的嚙合質量對仿真分析的結果有著非常重要的影響（圖3）。在內嵌邊界法的幫助下，可以利用PIV粒子成像測速技術清楚的再現連續吸油和壓油過程中吸油腔和壓油腔的渦流。

圖3 利用CFD計算的齒輪泵中間部分的速度曲線和矢量曲線

工作時合適的仿真工具

利用內置邊界法CFD仿真分析得到的結果表明：這是一種適于對工作中的容積泵進行仿真分析的工具。合理設置CFD軟件系統，可以完成壓力差、質量流、不均勻性以及脈動強度的仿真分析；與試驗檢測分析的結果最大誤差不超過5%。

然而CFD仿真分析方法也存在缺陷，表現為：內置嵌入壁的處理不足，可導致低估外力和扭矩對內置邊界的作用。加強邊界壁的處理后，新版Ansys CFX軟件將在這一應用領域中做出更大貢獻。