基于particleworks软件的气液两相流分析功能介绍

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黄锦耀

安世亚太仿真业务部

齿轮箱是机械传动中广泛应用的重要部件，依靠箱体内部复杂的齿轮配合，可实现传动比和运动方向的改变。齿轮箱润滑性能的好坏，直接影响到自身的综合性能和使用寿命；飞溅润滑通过齿轮旋转甩油完成对特定位置的润滑，是最常用的润滑方式之一。

ParticleWorks是基于MPS（Moving Particle Semi-implicit）移动粒子半隐式法的CFD分析软件，可以很好地模拟齿轮箱内的飞溅润滑过程。用户不必对几何结构进行繁琐的网格划分，直接设置齿轮几何为旋转边界，并用一群粒子替代齿轮箱内部的流体。通过显式方法计算粒子粘度、位置、速度等信息，隐式方法求解压力方程并完成结果的显式修正，完成预设时间步迭代计算，最终获得流体的运动信息。

 

FVM简介

 

随着现代齿轮传动转速越来越高，齿轮旋转会带动周围的空气剧烈运动，形成气体压力场，对箱体中油液的飞溅、喷射产生影响，并且风阻产生的功率损失将成为齿轮系统总功率损失的重要来源，所以在高速齿轮润滑设计中，风力影响需引起足够的关注。

Particleworks软件，除了利用粒子表示不可压缩流体之外，还可以使用FVM（Finite Volume Method）进行气体模拟，完成液体——气体之间的耦合分析。

 

边界条件

当考虑气体与液体的两相流模拟时，气体可以通过两种边界完成设置，1、空气通过设置FVM入口进入分析域；2、在整个分析域内考虑气体：

FVM boundary

FVM入口的类型包括：矩形、圆形，还可以通过外部导入任意几何设置；并且气体流入分析域，可以以固定流速、或设置初始压力的方式模拟气体的流入。

Domain > Detail > FVM Boundary condition

如果考虑整个分析域内的气体，可以在分析区域Domain中设置FVM边界；域可以设置为压力边界Pressure Boundary模拟封闭的空间域、或设置Outflow边界模拟气体可以向外界扩散。

 

FVM计算方法

Particleworks中气体-液体两相流计算，可以选择3种计算方法：PISO瞬态计算、SIMPLE稳态计算、SIMPLE-PISO稳态到瞬态的连续计算。并且气体的平流方案可以选一阶Upwind、二阶Linear Upwind两种方案。

 

两相流耦合类型

针对实际中不同的问题模型，考虑气体与流体之间的耦合关系。Particleworks软件中，可以选择FVM-Particle之间的耦合类型：one-way单向耦合、Two-way双向耦合，确定液体是否对气体产生影响。通过调整参数，可以修正风力的大小。

综上，正确的使用FVM计算模块，可以有效的考虑气体与流体之间的耦合关系，实现对复杂两相流的模拟仿真。在实际的工程模拟中，通常可以与试验对标，修正FVM风力参数，可以更高效和精准地实现润滑过程的模拟计算。

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