通過CFD仿真，改進(jìn)離心泵設(shè)計(jì)

諸多關(guān)鍵工業(yè)過程的發(fā)展與進(jìn)步始終與泵送設(shè)備的改進(jìn)密切相關(guān)。離心泵因其適合處理高流量，因此發(fā)揮著特別重要的作用。

事實(shí)上，離心泵占世界泵產(chǎn)量的85%以上，通常應(yīng)用于污水處理、食品加工、水處理和制造廠、及化工和石油工業(yè)，用于泵送所有類型的低粘度流體。它們還可以輕松處理含有高比例懸浮固體的液體。

由于存在多種可用的泵配置，對(duì)于任何設(shè)施來說恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)都是至為重要。全球總能耗的20%都被用于運(yùn)行這臺(tái)或那臺(tái)泵，而其中三分之二的泵的能耗超出所需能源的60%。

為了確保能效并防止設(shè)備故障，對(duì)泵在不同運(yùn)行條件下的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估非常重要。這就是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）工具能發(fā)揮作用之所在。

為什么要注重離心泵的仿真

任何實(shí)物產(chǎn)品的成本和性能通常都在設(shè)計(jì)過程的早期即已確定。開始探索設(shè)計(jì)空間并定義產(chǎn)品概念的階段，是做出最具影響力的設(shè)計(jì)決策的階段。此后各階段對(duì)于生產(chǎn)成本的影響要緩和得多。

仿真是在早期產(chǎn)品開發(fā)階段發(fā)揮基礎(chǔ)作用的工具之一，它使工程師能夠在產(chǎn)品開發(fā)流程的早期做出更為明智的設(shè)計(jì)決策，對(duì)于最終產(chǎn)品，這意味著更低的生產(chǎn)成本、更高效的能源消耗、更低的故障風(fēng)險(xiǎn)等。

為什么要選用SimScale進(jìn)行離心泵的設(shè)計(jì)？

為什么并非所有的設(shè)計(jì)師都在使用仿真軟件呢？當(dāng)前存在的一些障礙阻礙了工程師和設(shè)計(jì)師更廣泛地采用仿真軟件，SimScale則通過以下方法破解了這一難題。

可訪問性：傳統(tǒng)軟件需要安裝在昂貴的本地高性能計(jì)算機(jī)上，而這些計(jì)算機(jī)大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)。有了SimScale，所有的計(jì)算可基于云操作，只需要一個(gè)web瀏覽器即可。

運(yùn)營(yíng)成本：標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)仿真軟件包的價(jià)格之昂貴眾所周知。有了SimScale，就可以選擇免費(fèi)社區(qū)計(jì)劃或14天專業(yè)計(jì)劃試用立即開始仿真設(shè)計(jì)。

專業(yè)訣竅：大多數(shù)現(xiàn)代工具都是為專家和經(jīng)驗(yàn)豐富的仿真工程師而設(shè)計(jì)。為了彌合這一知識(shí)鴻溝，SimScale提供了一個(gè)大型公共項(xiàng)目庫(kù)、免費(fèi)培訓(xùn)和實(shí)時(shí)支持聊天功能。

離心泵的制造問題

離心泵的剖視圖

離心泵主要由一個(gè)在被稱為蝸殼的殼體中旋轉(zhuǎn)的葉輪組成。流體進(jìn)入葉輪的孔眼（中心），然后通過葉輪葉片之間的空間，流出到葉輪和殼體壁之間的空間。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體元件的速度分為切向和徑向。流體流經(jīng)葉輪時(shí)，速度和壓力都會(huì)增加。

由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械能被轉(zhuǎn)移到流體上，在葉輪的排出側(cè)，水的壓力和動(dòng)能都將升高。而在吸入側(cè)，水被不斷排離，因此會(huì)在孔眼處產(chǎn)生負(fù)壓。這一低壓有助于將淡水流再次吸入系統(tǒng)，而這一過程會(huì)持續(xù)進(jìn)行。

葉輪是離心泵設(shè)計(jì)中最重要的部分。經(jīng)過多年的分析和開發(fā)工作，人們已開發(fā)出成功的葉輪。最佳葉輪的輪葉（葉片）被設(shè)計(jì)為向后彎曲。這些后彎葉片的葉片角度小于90度，由于其自穩(wěn)定功耗特性，成為行業(yè)中最首選的葉片類型。這意味著隨著流速的增加，泵的功耗在達(dá)到極限后會(huì)趨于穩(wěn)定。

離心泵設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

葉輪機(jī)械中的流體非常復(fù)雜，主要應(yīng)歸因于三維開發(fā)結(jié)構(gòu)涉及湍流、二次流、失穩(wěn)等。離心泵設(shè)計(jì)過程最初是基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)、模型試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。然而，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)要求對(duì)內(nèi)部流動(dòng)有深刻的了解，有了CFD的幫助，有望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

CFD仿真有望可視化離心泵內(nèi)部的流動(dòng)條件，并可提供有價(jià)值的泵水力設(shè)計(jì)信息。仿真結(jié)果被用于計(jì)算和預(yù)測(cè)離心泵的性能，取代了過去費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的物理實(shí)驗(yàn)。除了縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期外，還節(jié)省了大量的工作。

離心泵項(xiàng)目概述

本文的案例研究將使用CFD優(yōu)化離心泵設(shè)計(jì)作為仿真項(xiàng)目的模板。

本項(xiàng)目使用穩(wěn)態(tài)多重參考系（MRF）法和k-omega SST湍流模型來仿真常規(guī)的離心水泵。通過SIMPLE算法進(jìn)行壓力-速度耦合。MRF區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度為157.08 rad/s（1500 rpm）。

本項(xiàng)目涉及（1）出口葉片角度，和（2）葉片數(shù)量對(duì)離心水泵性能的影響。利用SimScale，對(duì)具有三種不同出口葉片角度（13、23和33度）和三種不同葉片數(shù)（6、8和10）的葉輪的性能特性曲線、以及局部和全局流量變量進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)。

所考慮的離心泵設(shè)計(jì)入口直徑為150mm，出口直徑為151.5mm，葉輪直徑為340mm。其流體域使用了SimScale平臺(tái)上的‘snappy hex mesh’進(jìn)行網(wǎng)格劃分出的幾何結(jié)構(gòu)。生成的網(wǎng)格由大約450萬個(gè)單元組成，如下圖所示。

（1）出口葉片角度變化的影響

流量參數(shù) ? 葉片數(shù)量：8 ? K-Omega SST湍流模型 ? 穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流 ? 多重參考系（MRF）法 ? 葉輪轉(zhuǎn)速：1500 rpm ? 入口體積流量：540立方米/小時(shí) ? 蝸殼出口面 - 壓力出口（0表壓）

壓力等值線結(jié)果表明，葉片出口角度為33度的泵，其進(jìn)出口之間的壓差最大（208.4 KPa），13度時(shí)壓差最小（116.6 KPa）,且泵出口設(shè)置為定值壓力出口，0表壓邊界條件。

（2）葉片數(shù)變化的影響

流量參數(shù) ? 出口葉片角度：33度 ? K-Omega SST湍流模型 ? 穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流 ? 多重參考系（MRF）法 ? 葉輪轉(zhuǎn)速：1500 rpm ? 入口體積流量：540立方米/小時(shí) ? 蝸殼出口面 - 壓力出口（0表壓）

從壓力等值線結(jié)果可以看出，十葉片泵的進(jìn)出口間的壓差最大（230.5 KPa），六葉片泵的壓差最?。?61.04 KPa）。

最佳效率點(diǎn)

最佳效率點(diǎn)（BEP）是指泵在給定葉輪直徑下以最高或最佳效率運(yùn)行時(shí)的流量。該泵的BEP位于432?/hr這一位置。此外，八葉片泵和十葉片泵的最大效率分別為60.5%和62.04%。

最佳效率點(diǎn)處的壓頭

由于BEP發(fā)生在432個(gè)單位（?/hr）的流量下，因此該流量也與泵曲線相交，分別等于26.65米和28.33米的水頭（各對(duì)應(yīng)八葉片泵和十葉片泵）。

總結(jié)

如本案例研究所示，離心泵是一種簡(jiǎn)單但必不可少的設(shè)備。看似微小的設(shè)計(jì)變化，如出口葉片角度或葉片數(shù)量，可能會(huì)對(duì)泵的性能產(chǎn)生重大影響。

由于離心泵設(shè)計(jì)配置眾多，對(duì)每種配置進(jìn)行物理測(cè)試或僅依靠經(jīng)驗(yàn)，將使設(shè)計(jì)過程變得不必要的漫長(zhǎng)且昂貴。同樣的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以通過數(shù)值分析和仿真進(jìn)行，在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)即可獲得同樣精確的結(jié)果。

這只是CFD工具幫助工程師評(píng)估其泵送設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)例子。SimScale公共項(xiàng)目庫(kù)中有多種仿真模板可供選擇，涵蓋工業(yè)設(shè)備和機(jī)械、商業(yè)和工業(yè)風(fēng)扇、閥門等不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域。