真空發(fā)生器的全流程CAD/CAE系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

胡小雄， 鄭雨軒， 汪達(dá)軍， 劉 文， 葉鑫宇， 章苗英， 高殿榮， 王春鴿

(1.星宇電子(寧波)有限公司，浙江 寧波 315514； 2.浙大寧波理工學(xué)院 機(jī)電與能源工程學(xué)院， 浙江 寧波 315100；3.浙江萬里學(xué)院 信息與智能工程學(xué)院， 浙江 寧波 315100； 4.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

引言

隨著科技發(fā)展，真空氣動(dòng)技術(shù)作為一種能夠有效節(jié)能的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種汽車、醫(yī)藥、食品、印刷、電子、輕工、塑料制品等工業(yè)領(lǐng)域[1]。能夠產(chǎn)生真空的元器件主要真空發(fā)生器和真空泵。其中，射流式真空發(fā)生器因安裝步驟少、占用空間少、重量較輕、構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[2-3]。

近年來對國內(nèi)外學(xué)者對真空發(fā)生器的研究較多，GUO Xilong等[4]通過數(shù)值模擬的方法得出了最優(yōu)的噴嘴到喉部間隙參數(shù)大小；李勇等[5]分析混合室的直徑值對噴射因數(shù)的影響,得到了能夠讓真空發(fā)生器處于第二極限狀態(tài)的混合室直徑值；李昊軍等[6]通過對多級(jí)真空發(fā)生器的抽氣性能問題進(jìn)行研究，為真空發(fā)生器的設(shè)計(jì)和選型工作提供了參考，并初步得出了三級(jí)真空發(fā)生器抽氣溫度在無流阻和有流阻2種情況下的變化規(guī)律；呂蘇荷等[7]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)b/R值對其實(shí)際工作特性的直接影響，并最終得到一個(gè)工作性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)b/R值；劉寶等[8]對真空發(fā)生器內(nèi)部的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究進(jìn)氣壓力、引射效率對最大真空度的影響，并獲得最優(yōu)解。

上述研究對真空發(fā)生器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化有重要的參考價(jià)值，但基本采用傳統(tǒng)的串行模式，無法將其統(tǒng)一在一個(gè)框架中，且需要不斷反復(fù)，對工程人員專業(yè)要求高、耗時(shí)長，存在分析效率低、誤差大等問題。如圖1所示，本研究采用ANSYS Workbench協(xié)同仿真平臺(tái)，開發(fā)面向真空發(fā)生器的全流程CAD/CAE集成系統(tǒng)，通過建立關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型[9]，降低模型的精度損失，避免設(shè)計(jì)模型變更引起的重復(fù)建模問題，保留設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)化信息，同時(shí)可以降低對工程人員的專業(yè)要求，提高真空發(fā)生器仿真及優(yōu)化的效率和準(zhǔn)確度，為真空發(fā)生器的仿真及優(yōu)化提供一種新的思路。

圖1 真空發(fā)生器設(shè)計(jì)流程改進(jìn)模式圖Fig.1 Design flow improvement mode diagram of vacuum generator

1 真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為：氣體從進(jìn)氣口中進(jìn)入，通過拉瓦爾噴管將放入進(jìn)氣口中的射流空氣二次加速，從而提高氣體射入的速度，在拉瓦爾噴管的出口處就會(huì)形成一個(gè)真空。真空口內(nèi)引射氣體的壓力與拉瓦爾噴管的出口壓力并非完全相等，使引射氣體被夾帶至拉瓦爾噴管的出口，在噴管的出口處形成放射流，產(chǎn)生卷吸作用，從而導(dǎo)致真空室內(nèi)的壓力低于大氣壓，出現(xiàn)一定程度上的真空度;混合后的氣體通過擴(kuò)張管的收縮段后就開始進(jìn)行減速，到達(dá)擴(kuò)張管等表面積段后流速逐步均勻，經(jīng)過擴(kuò)張管的擴(kuò)張段后就繼續(xù)進(jìn)行減速，這樣可以大大降低噪聲，最后氣體從排氣口排出[10]。

1.進(jìn)氣口 2.拉瓦爾噴管 3.真空室 4.真空口5.擴(kuò)張管 6.排氣口圖2 真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum generator structure

由工作原理可知，拉瓦爾噴管噴射出氣體的流速越大，真空發(fā)生器的真空度就越大，而拉瓦爾噴管中氣體的流動(dòng)可以通過截面積的大小來控制[11]。

2 基于Workbench平臺(tái)的全流程CAD/CAE系統(tǒng)開發(fā)

在面向真空發(fā)生器的全流程CAD/CAE集成系統(tǒng)中，關(guān)鍵是建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析相關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型。多種與仿真優(yōu)化相關(guān)的軟件組件(API)被整合到ANSYS Workbench協(xié)同仿真環(huán)境中，并能鏈接相應(yīng)的CAD軟件，來形成需要的應(yīng)用[12]。通過Workbench平臺(tái)和相關(guān)的API接口，建立真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析相關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型，通過調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)重建、網(wǎng)格自動(dòng)劃分、求解器自動(dòng)求解并輸出需要的結(jié)果參數(shù)[13]，降低了模型的精度損失，避免了傳統(tǒng)真空發(fā)生器分析模式中設(shè)計(jì)模型變更造成三維模型重建的問題，協(xié)同仿真原理如圖3所示。

本研究采用ANSYS 2020 R2的Workbench子模塊，三維建模采用SolidWorks 2019，求解器為Fluent 2020 R2流體分析軟件。

2.1 參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)置

參數(shù)化設(shè)置包括兩部分：輸入?yún)?shù)設(shè)置和輸出參數(shù)設(shè)置。

圖3 協(xié)同仿真原理Fig.3 Principle of collaborative simulation

輸入?yún)?shù)為真空發(fā)生器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括喉部直徑D1、出口直徑D2、擴(kuò)張管直徑D3和擴(kuò)張段長度L。根據(jù)Workbench的規(guī)則，將其重命名為DS開頭的名稱，參數(shù)化命名方式如圖4所示。

圖4 變量參數(shù)化命名Fig.4 Parametric naming of variables

將三維模型導(dǎo)入后Workbench后打開SolidWorks 2019的API接口，并勾選相應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)的尺寸[14]，如圖5所示，在Workbench的參數(shù)表中進(jìn)行修改數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)模型尺寸修改，自動(dòng)重建模型，實(shí)現(xiàn)與CAD系統(tǒng)的雙向參數(shù)互動(dòng)。

圖5 參數(shù)化尺寸變量Fig.5 Parametric dimension variable

輸出參數(shù)為真空口的平均壓力，即真空度p1。在真空口設(shè)置一個(gè)表面報(bào)告，命名為“vacuum_generator”，報(bào)告類型為Facet Average，場變量設(shè)置為Static Pressure，勾選“創(chuàng)建輸出參數(shù)”，如圖6所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS中的Mesh模塊來劃分真空發(fā)生器流場的三維模型的網(wǎng)格，Mesh軟件默認(rèn)對模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分， 也可對模型使用Hex Dominant方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[15]。采用0.4 mm單元大小、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量情況，如圖7所示。

圖6 輸出參數(shù)設(shè)置Fig.6 Output parameter setting

圖7 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元質(zhì)量分布圖Fig.7 Mass distribution of unstructured grid cells

如圖8所示，縱坐標(biāo)為網(wǎng)格尺寸百分比λ，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的單元質(zhì)量比例α大致分布在0.60～1.00之間，最小網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.31321，最大網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.99999，平均網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.83775，標(biāo)準(zhǔn)差為0.095016。

圖8 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元質(zhì)量比例圖Fig.8 Unstructured grid cell mass scale

如圖9所示，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的偏斜比例β大致分布在0～0.6之間，最小偏斜為1.8611e-5，最大偏斜為0.79502，平均偏斜為0.2273，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12055。

圖9 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格偏斜比例Fig.9 Unstructured grid skew scale

圖10 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元質(zhì)量分布圖Fig.10 Mass distribution of structured grid cells

采用0.4 mm單元大小、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格質(zhì)量情況，如圖10所示。

如圖11所示，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的單元質(zhì)量比例α大致分布在0.60～1.00之間，最小網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.006378，最大網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.995，平均網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.55727，標(biāo)準(zhǔn)差為0.3002。

如圖12所示，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的偏斜比例β大致分布在0～0.60之間， 最小偏斜為4.3039e-5， 最大偏斜為0.99999，平均偏斜為0.45667，標(biāo)準(zhǔn)差為0.26287。

對比可知，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分后的單元質(zhì)量和偏斜都優(yōu)于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分后的單元質(zhì)量，因此選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式。

2.3 求解器及邊界條件設(shè)置

1) 求解器

因?yàn)檎婵瞻l(fā)生器的內(nèi)部氣體會(huì)從亞音速達(dá)到超音速，流速跨度大，所以采用適合高速流動(dòng)跨音速等問題的 SSTk-ω湍流模型。氣體物理性質(zhì)設(shè)定為理想的氣體，不考慮重力的影響，并采用二階精度的有限體積法和 SSTk-ω湍流模型來提高數(shù)值計(jì)算精度[16]。同時(shí)由于氣體流速變化幅度較大，所以引入能量方程，忽略氣體重力影響，采用壁面函數(shù)修正壁面區(qū)域[17]。

2) 邊界條件

因?yàn)樽畲笳婵斩仁钦婵瞻l(fā)生器真空度/入口壓力曲線的最低點(diǎn)，因此需要輸出真空發(fā)生器真空度/入口壓力的整體曲線。如圖13所示，分別設(shè)置壓力入口、壓力出口，標(biāo)記處為真空口，忽略氣體泄漏，設(shè)置為壁面[18]。

圖13 邊界條件設(shè)置Fig.13 Boundary condition setting

圖11 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元質(zhì)量比例Fig.11 Mass scale of structured grid cells

圖12 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格偏斜比例Fig.12 Structured grid skew scale

2.4 仿真模型參數(shù)化設(shè)計(jì)

拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖14所示，仿真流程圖如圖15所示，通過更改參數(shù)集的數(shù)據(jù)，即可對三維模型、網(wǎng)格劃分、邊界條件(入口壓力)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。參數(shù)化界面如圖16所示，主要參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

圖14 拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.14 Structural parameters of Laval nozzle

表1 參數(shù)設(shè)計(jì)表Tab.1 Parameter design table

圖15 集成化仿真流程圖Fig.15 Integrated simulation flow chart

圖16 參數(shù)化界面Fig.16 Parametric interface

3 基于全流程CAD/CAE系統(tǒng)的真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

采用單因素分析法，分別改變拉瓦爾噴管喉部直徑D1、出口直徑D2、擴(kuò)張管直徑D3、擴(kuò)張段長度L，分析真空度p1隨入口壓力p的變化情況。

3.1 喉部直徑對真空度的影響

如圖17所示，真空發(fā)生器的真空度-壓力曲線對拉瓦爾噴管的喉部直徑較敏感。在喉部直徑為0.7， 1.0， 1.2 mm 3種情況中，當(dāng)直徑為0.7 mm，入口壓力為0.7 MPa時(shí)，最大真空度約為-94 kPa；而當(dāng)喉部直徑增加到1.2 mm時(shí)，最大真空度較小。這是因?yàn)楹砉苤睆皆龃髸r(shí)氣體在噴管擴(kuò)張管內(nèi)不能充分加速，導(dǎo)致出口速度低，且隨著入口壓力不斷增加，高壓點(diǎn)反而阻礙了噴管出口的氣體噴出，致使卷吸能力下降，真空度逐漸減小。由此可見，最大真空度隨喉管直徑減小而增大，但達(dá)到最大真空度所要求的入口壓力也隨之提高。

圖17 喉部直徑對真空口真空度的影響Fig.17 Effect of throat diameter on vacuum degree of vacuum port

3.2 出口直徑對真空度的影響

如圖18所示，當(dāng)出口直徑為1.0 mm時(shí)，最大真空度在0.6 MPa時(shí)取得，約為-75 kPa；當(dāng)出口直徑增加到1.2 mm時(shí)，最大真空度在0.7 MPa時(shí)取得，約為-91 kPa。由于出口直徑增大，引起面積比值增大，要求的入口壓力也增大，導(dǎo)致出口速度大，真空度逐漸增大。由此可見，在一定的范圍內(nèi)，最大真空度隨拉瓦爾噴管出口直徑的減小而減小，達(dá)到最大真空度所要求的入口壓力也隨之減小。

3.3 擴(kuò)張段長度對真空度的影響

如圖19所示，拉瓦爾噴管擴(kuò)張段長度分別為2.0， 2.5， 3.0 mm時(shí)，真空度/入口壓力曲線基本無變化，說明擴(kuò)張段長度對真空發(fā)生器的真空度幾乎沒有影響。

圖18 出口直徑對真空口真空度的影響Fig.18 Effect of outlet diameter on vacuum degree of vacuum port

圖19 擴(kuò)張段長度對真空口真空度的影響Fig.19 Effect of length of expansion section on vacuum degree of vacuum port

3.4 擴(kuò)張管直徑對真空度的影響

如圖20所示，當(dāng)擴(kuò)張管直徑為1.6 mm時(shí)，最大真空度在0.5 MPa時(shí)取得，約為-70 kPa。當(dāng)擴(kuò)張管直徑增加到2.0 mm時(shí)，最大真空度在0.7 MPa時(shí)取得，約為-95 kPa。擴(kuò)張管直徑增大，有利于氣體排出， 減小對真空度的影響。由此可見，在一定的范圍內(nèi)， 最大真空度隨拉瓦爾噴管擴(kuò)張管直徑的減小而減

圖20 擴(kuò)張管直徑對真空口真空度的影響Fig.20 Effect of expansion tube diameter on vacuum degree of vacuum port

小，達(dá)到最大真空度所要求的入口壓力也隨之減小。

4 實(shí)驗(yàn)測試

以某公司的XY-CT A G207G單片式真空發(fā)生器樣機(jī)作為研究對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。其主要幾何參數(shù)如下：喉部直徑0.7 mm，出口直徑1.2 mm，擴(kuò)張管直徑2 mm，擴(kuò)張段長度2.9 mm。本實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，入口壓力從0 MPa開始，以0.05 MPa 為間隔遞增至0.5 MPa，并在如圖21所示真空發(fā)生器測試臺(tái)上進(jìn)行。通過減壓閥調(diào)節(jié)真空發(fā)生器的入口壓力，以測試不同的入口壓力下真空發(fā)生器的真空度和入口壓力的關(guān)系，真空度的數(shù)據(jù)通過采集卡輸送到工控機(jī)中，實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)回路如圖22所示。

圖21 真空發(fā)生器性能測試臺(tái)實(shí)物圖

1.氣源 2.干燥器 3.空氣過濾器 4.油霧分離器5.減壓閥 6、10.二位二通閥 7、11.耗氣流量計(jì) 8.真空發(fā)生器9.真空壓力計(jì) 12.真空過濾器圖22 真空發(fā)生器實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)回路圖Fig.22 Vacuum generator experiment pneumatic circuit diagram

數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比結(jié)果如圖23所示，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大真空度都在0.35 MPa時(shí)取得，分別為-92.3，-93.8 kPa；誤差約為1.5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果吻合良好，仿真模型較為準(zhǔn)確，符合設(shè)計(jì)的預(yù)期。

5 結(jié)論

(1) 基于ANSYS Workbench平臺(tái)，搭建了真空發(fā)生器的全流程CAD/CAE系統(tǒng)，通過建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析相關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型，將建模、網(wǎng)格、仿真等集成在統(tǒng)一框架中，直接利用參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD模型來建立CAE分析模型，提高仿真效率及可靠性，同時(shí)該系統(tǒng)降低了實(shí)際工程中對技術(shù)人員的CAE仿真技能要求，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值；

圖23 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對比圖Fig.23 Comparison between experimental and simulation results

(2) 基于全流程CAD/CAE系統(tǒng)進(jìn)行了真空發(fā)生器仿真分析，研究了喉部直徑D1、出口直徑D2、擴(kuò)張管的直徑D3和擴(kuò)張段長度L對真空度的影響規(guī)律；

(3) 由仿真結(jié)果可知，喉部直徑D1對真空度的影響顯著，最大真空度與喉管直徑D1成反比，但要求入口壓力相應(yīng)地提高，當(dāng)喉部直徑D1為0.7 mm，入口壓力為0.7 MPa時(shí)，最大真空度約為-94 kPa，性能最好；最大真空度隨出口直徑D2和擴(kuò)張管直徑D3的減小而減小，達(dá)到最大真空度所要求的入口壓力也隨之減小；擴(kuò)張段長度L對真空度影響不大。因此，在入口壓力不變的情況下，合理減小喉部直徑D1，增大出口直徑D2和擴(kuò)張管直徑D3，可以提高真空度，提升真空發(fā)生器性能。