加热和冷却设备制造商使用 Simcenter STAR-CCM+ 通过迅速模拟多种泵体设计，实现时间和成本的双重节省

走向虚拟

泵是我们生活许多方面的无名英雄。它们使我们的供水和污水处理系统、通风系统、能源工厂的冷却以及更多应用能够有效运行。

泵设计工程师在创造更好的新产品时面临着多重挑战。泵必须在各种条件下良好运行，满足政府的效率规定，并在较长使用寿命内稳定可靠，同时尽可能减少停机维修时间。

传统的设计方法在很大程度上依赖于测试物理原型。这可能既昂贵又耗时，并且每个新产品都需要多个设计/重新设计和测试周期。创建虚拟原型可以在一系列可能的运行条件下快速研究多个泵设计，这不仅加快了设计过程，还降低了与物理测试相关的成本。Taco Comfort Solutions (Taco) 使用这种方法更快地将更好的泵推向市场。

设计与仿真

在创建和测试物理原型之前，Taco 使用 Simcenter STAR-CCM+® 软件作为虚拟实验室。产品工程师彼得·汪达尔负责领导 Taco 的计算流体动力学 (CFD) 设计。从 SolidWorks 软件导入几何体后，所有网格划分、仿真和分析都在 Simcenter STAR-CCM+ 中执行，如图 2 所示。对于每个泵设计，CFD 仿真都提供了泵壳内流量和压力的完整三维表示。

“我们可以在模型中的任何位置获取读数，就像虚拟探头一样，”汪达尔解释说。“例如，我们可以在实验室测试中使用的探头所在的相同点提取静压或总压值，因此我们可以直接将 Simcenter STAR-CCM+ 结果与实际应用进行比较。”

对 CFD 模型的验证使团队对 CFD 结果充满信心，并对扬程、效率和最佳效率点 (BEP) 流速等性能特征进行了预测性洞察。一旦汪达尔和他的团队在 Simcenter STAR-CCM+ 中产生了三到四个可接受性能的设计，他们就会继续构建和测试他们的物理原型。即使它们能够快速（通过 3D 打印）立体光固化成型 (SLA) 叶轮的原型，每个叶轮的构建和测试成本也高达 2,500 美元。在 Simcenter STAR-CCM+ 中探索众多数字原型的性能可节省大量成本和时间，在原型测试的单个阶段中实现高概率的成功，并确保较短的开发时间窗口。

图 1：Taco Comfort Solutions 循环泵示例。

模拟完整的泵曲线

汪达尔和他的团队对每个设计运行稳态仿真，测试多个流点以确定 BEP 流速。在理想情况下，泵总是以接近 BEP 的值运行，但情况并非总是如此。为了防止现场问题并满足客户需求，重要的是要查看非设计流量，以确保泵在整个运行曲线上保持稳健。汪达尔描述了三个不同的方面：“在泵曲线的左侧，可能会出现过度下垂，这是不可接受的。BEP 位于中心，右侧需要检查高流速下的运行条件。

Taco 在 Simcenter STAR-CCM+ 中执行非稳态仿真，旨在检查整个泵曲线。

“我们用 BEP 流速的稳态运行来初始化 CFD 模型，然后更改边界条件，使流体向极端流速变化，”汪达尔说。

他分享了一个用例，该用例显示性能曲线左侧的设计性能不佳（图 3）：“在非设计流速下，泵流量会变得非常不稳定（图 4）。如果泵曲线左侧的压力下降过大，则运行并联泵装置可能会出现问题。我能够在 Simcenter STAR-CCM+ 中以 BEP 流速（加仑/分钟）的 10% 和 50% 运行非稳态仿真，以量化最大扬程点 (50%) 和接近关死点扬程 (10%) 之间的下降量。在我们构建用于实验室测试的 SLA 叶轮之前，我使用相同的方法来模拟替代设计。未来进行测试的设计不仅在 BEP 下显示出良好的结果，而且在低流速下也显示出良好的结果，性能曲线左侧的压力下降较小。

Taco 相信，其泵设计可以更加坚固，即使在非设计运行时也能尽可能高效和可靠地运行。

图 3：两个测试用例的性能曲线示例。虚线显示 Simcenter STAR-CCM+ 结果，实线显示实验室测试结果。用例 A 显示在 50% BEP（最大扬程）和 10% BEP 之间有较大压降 (ΔA)。重新设计叶轮（用例 B）减少了该压降 (ΔB)。

图 2：在 CAD 软件中设计泵模型，并将其导入 Simcenter STAR-CCM+（第一个），在那里进行网格划分（第二个）和仿真（第三个）。

简化工作流

使用 Simcenter STAR-CCM+ 进行虚拟测试加快了 Taco 的设计工作流程，并降低了与物理测试相关的成本。

“几年前我处理第一台泵时，当时我们会订购零件进行测试，这会很糟糕，我们不得不重新进行整个设计、订购和测试过程，”汪达尔说。“现在我们使用 Simcenter STAR-CCM+ 得以减少这种迭代的'重新开始'过程，并加快整个设计周期。

“当我们第一次开始使用 Simcenter STAR-CCM+ 时，我们没有太多的实验室测试数据来与 CFD 结果相关联，因此我们不知道要使用怎样的最佳模型设置，例如粗糙度或泄漏流量。我们现在有一个实验室测试数据库，可以验证 Simcenter STAR-CCM+ 结果，并知道用于获得准确结果的最佳模型设置。”

但 Taco 决心进一步简化他们的设计流程。“我们一直在寻找更快地使用软件的方法，”汪达尔评论道。“每当我们花几个小时做某件事时，我们都会说'我们怎么能在 50 分钟内完成这件事？'我们希望更智能地使用该软件，而不是更努力地工作。

汪达尔和他的团队与西门子的专属支持工程师 (DSE) 密切合作，以简化他们的仿真。

“在西门子有一位专门的联系人真是太好了，他了解我们的流程并与我们一起寻找解决方案，”汪达尔解释道。Taco 与他们的 DSE 合作，使用 Simcenter STAR-CCM+ 零件更换功能开发了一种快速的多设计测试流程。在 Simcenter STAR-CCM+ 中设置并运行模型后，零件更换功能使汪达尔能够仅用替代设计替换叶轮或蜗壳，而 CFD 模型设置和边界条件保持不变，如图 5 所示。然后，Simcenter STAR-CCM+ 快速重新生成网格，并计算新的解。

“我们在 SolidWorks 中使用标准化的命名约定，因此当我想更改 Simcenter STAR-CCM+ 模型中的某个零件时，我只需点击替换零件按钮并运行新的仿真，”汪达尔说。“我们喜欢这种工作方式，因为我们可以使用相同的网格和仿真设置一个接一个地测试多个用例。这不仅使运行多个仿真变得快速，而且让我们确信结果将是一致且可重复的。

Taco 还创建了 Java 宏来自动化“网格和运行”过程，从而能够自动生成泵曲线。像这样的自动化流程帮助 Taco 努力实现将当前设计流程时间减半的目标。

Taco 也在展望未来，旨在在过去两年积累的知识基础上再接再厉。首席技术官 (CTO) 格雷格·凯斯 (Greg Case) 说：“我们依靠战略性地使用 CFD 仿真来帮助我们以性能更好的泵击败市场竞争对手，并增加市场份额。”

汪达尔解释说：“使用 Simcenter STAR-CCM+ 的主要优势是缩短了我们在竞争激烈的行业中的迭代设计过程。我们想知道，当我们投资于实验室测试工作或零件工具时，结果将有很高的成功可能性。Simcenter STAR-CCM+ 让我们充满信心。从本质上讲，我们希望消除实验室测试和设计阶段之间的反馈循环，以便每个泵设计都尽可能少地进行实验室测试。”

“我们希望以数字方式进行探索并进行物理确认，而不是相反。鉴于我们现在拥有的同时使用 SLA 和金属部件的 SLA 实验室测试数据库，以及我们对迄今为止生成的 Simcenter STAR-CCM+ 数据的信心，我希望未来我们不再使用 SLA 测试，而是直接从 Simcenter STAR-CCM+ 转向金属叶轮测试。这有点冒险，但我认为这是可能的，并且会节省我们的时间和成本，使我们能够更快地将新的、更高效、更可靠的泵推向市场。”

图 5：零件更换允许快速更换叶轮，保持几何形状的其余部分相同。由于所有网格和物理设置都相同，因此结果很容易进行比较。

图 5：零件更换允许快速更换叶轮，保持几何形状的其余部分相同。由于所有网格和物理设置都相同，因此结果很容易进行比较。

图 4：当泵以大幅偏离设计的流速运行时（第一），泵中的流量明显变得非常不稳定，与 BEP 处的流量（第二）相比，可见的再循环明显更多。