1. 必要性分析

1.1 应用背景

机油泵用于给汽车润滑系统提供供油动力，与发动机曲轴直接连接，机油泵的运转也要消耗一部分发动机功率。采用定排量泵的发动机在高转速工况下，通常会浪费大量的发动机功率，造成了不必要的燃油浪费。随着国际油价的不断攀升和排放法规的日益严格，降低油耗成为汽车行业的一个重要发展目标。从国外相关研究报告来看，采用可变排量机油泵一般能降低乘用车发动机1%-3%的燃油消耗。因此，研发变排量泵成为目前的发展趋势。

传统定量泵流量转速变化曲线

目前国外已应用变排量泵技术的汽车企业较多，如德国IAV公司、宝马公司、奥迪公司、通用、美国SLW汽车公司等。近年来国内也有部分企业开始研发变排量泵产品，如湖南机油泵、东风泵业、宁波圣龙、幸福摩托、一汽富奥、绵阳万欣等。海基科技已联合部分客户如湖南机油泵、东风泵业、一起富奥等进行了变排量泵的数值分析工作，采用数值分析的手段对变排量泵进行性能预测，较好地协助工程师的研发。

1.2 变排量滑片泵原理简介

目前应用较为广泛的变量泵为变排量滑片泵（VDVP）、变排量外齿轮泵和变排量摆线泵。以VDVP为例，简要介绍其变排量机理。

VDVP包括以下几部分：泵壳、转子、叶片、摆动/滑动滑片、进出油槽等，其变量形式可分为滑动变量式或摆动变量式，其原理大致相同：通过外调节环的滑动或摆动，改变其与转子的偏心距，进而改变叶片泵的排量。如下图所示，当反馈腔中的油压达到规定值时，压力会大于扭簧的弹力而推动外调节阀片（蓝色部分）绕轴转动（摆动轴），从而使滑片相对于转子的偏心距变小，减小油泵的排量；当反馈机油压力降低时，弹簧逐渐回位从而使外调节滑片复位。

VDVP结构图

1.3 CFD仿真需求分析

泵类元件的设计是一个不断改进、优化的过程。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。并且国内企业对于机油泵的试验手段仍是以满足基本功能和耐久为主，不足以对性能优化提供全面支持。

这样的设计流程通常跟不上型号的进度，技术创新也将极大受到限制。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、创新想法进行数值模拟，确定泵在各个转速的排量、流量、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，采用现代CFD技术来对变排量泵产品进行设计，是产品占领技术优势的重要手段。

2. 变排量泵仿真难点

由以上结构原理介绍可知，变排量泵结构复杂，内置有多个运动部件，且各部分结构相互影响，共同完成变排量的过程，因此数值仿真难度非常大，主要仿真难度总结如下：

1、供油腔容积随时间变化，需要考虑供油腔的动网格变化；

2、受调节滑片（VDVP）、活塞（VDGP）的影响，滑动腔和反馈腔均存在容积变化，需要用到动网格技术；同时外调节滑片的运动，也会影响供油腔的容积变化，两者相互耦合相互影响，需要二者的协同工作；

3、大部分机油泵出口均安装有释压阀门，起调节保护作用，调节阀一般为往复式运动，同样也需要考虑动网格运动，同时也需要考虑释压阀与泵主体之间的协同作用；

4、变排量泵内部往往涉及间隙泄露，如考虑则大大增加了网格划分的难度。

5、机油泵内存在空化现象，且对于某些机油泵空化现象较为严重，传统的空化模型在收敛性、计算精度及计算速度方面无法满足客户要求。

6、变排量泵结构复杂，多个部件均需协同工作，既需要准确模拟流场，同时又需要精确地将动力学关系反馈到流场分析，流动和结构机理都十分复杂，仿真难度大。

3.变排量泵数值分析解决方案

基于上述技术难点，海基科技提出基于PumpLinx的解决方案，为变排量泵的设计仿真提供简便、快捷的方法。PumpLinx作为专业的运动机械CFD仿真软件，对于变排量泵的分析具备独特的技术优势：

1、 PumpLinx具备专业的VDVP、VDGP模板，可快速完成VDVP、VDGP转子区域的网格划分、动网格设置，以及相关的动力学关系设置；

2、PumpLinx具备专业的阀模板，可快速完成摆动滑片和往复阀门的网格划分，并快速完成其动网格设置；

3、PumpLinx内置有专业的模板网格，可完成低至几十微米量级的间隙网格；除此之外，PumpLinx内置的基于CAB算法的笛卡尔网格，划分速度快、精度高、网格数量少，结合PumpLinx高效的求解器，可快速完成结构复杂的运动机械仿真。

4、PumpLinx内置独一无二的全空化模型，收敛性好，稳定性高，且计算结果已得众多实例验证，已在空化分析领域得到广泛认可。

5、PumpLinx求解器是在传统的CFD求解器基础上进行开发和改进，将其最新的数值技术与PumpLinx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。一般来说，在同等计算条件下，PumpLinx计算速度比同类软件快5倍左右。

6、PumpLinx可与噪声分析软件耦合，进行流致振动噪声分析。

4.PumpLinx变量泵项目经验

5仿真价值

通过应用PumpLinx软件对变量泵进行数值仿真，可预测泵内流量、压力、扭矩、功率、脉动分析，判断泵性能优劣，评估机油泵性能是否符合设计要求，并对不符合要求的设计模型进行有针对性的改进，如调整弹簧参数，优化调整环结构等；通过预测其空化性能，判断泵内空化发生的条件，为工程师提供参考依据。PumpLinx作为专业的运动机械仿真软件，在其他软件几乎无法完成变排量泵数值仿真的情况下，可以快速实现对变量泵的流场预测，为工程师提供分析和优化依据。目前数值模拟技术在产品开发研究中扮演着与试验同等重要的角色。在泵设计阶段通过数值模拟技术的介入，可以带来以下几个方面的积极效果。

1）  数值模拟部分代替试验，减少研发成本。以往的产品设计流程基本依靠试验和工程师的经验，这对于工程师的成长和研发成本都是较大的考验。现代的产品设计研发中，数值模拟经常被用于进行试验前的方案选型。对设计人员的提出的新设计理念、优化参数，可以不必全都采用试验的方法进行验证，而是采用数值模拟软件进行预先的预测验证。通过数值模拟确定有限的试验方案，最后再采用试验来验证数值模拟结果的准确性。通过本软件不仅可以减少研发成本，对于一些极限工况，部分流场信息通过试验方法获取是根本不可能的，只能通过数值模拟手段。

2） 缩短产品设计周期。泵设计是一个不断改进、优化的过程。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，这样的设计流程通常跟不上型号的进度。试验方法不仅经费投入、人力物力投入巨大，而且通常设计周期较长。数值模拟可以在较短的时间内获得设计人员关心的参数，从而减少了试验设计的次数和时间，缩短产品上市时间。

3） 性能校核，由于某些不确定因素，对于同一个产品的多次试验工程师可能会得出不同的试验结果而无法判定试验数据的准确性，此时可利用PumpLinx对试验部件进行性能校核，从而确认试验数据的准确性。

4） 减振降噪，延长使用寿命， PumpLinx可监测泵内部某关键位置的压力波动，以获得泵的瞬态流场特性，进而改进泵的振动噪声特性。此外，PumpLinx可与专业噪声软件耦合进行流致噪声的联合仿真，优化部件及系统的噪声性能，分析泵内非定常流动、空化等原因引起的噪声问题。

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