CFD仿真：离心泵设计中的效率优化
前言
在处理涡轮机械时，例如压缩机、螺旋桨或离心泵等，最轻微的设计变化往往会产生巨大的影响。根据机器的不同，即使是1% 的效率提高，也可以在机器的使用寿命内节省数千美元的成本。
涡轮机械在转子和流体之间传递能量。通过这种方式，机械能被转换为压力或扬程。通常在涡轮机械设计中，工程师的主要目标是效率、可靠性、性能和延长使用寿命。粗略地说，机器应该在尽可能长的时间内尽可能好地运行、有效地回收尽可能多的能量，并且需要尽可能少的维护。虽然这些因素符合制造商、供应商和客户的直接利益，但由于环境影响法规的收紧和人们对舒适度需求的增加，噪音污染或排放等其它考虑因素变得越来越重要。所有这些方面都需要在设计阶段进行仔细评估。
案例：用CFD设计离心泵
作为涡轮机械的一个例子，本案例模拟了一种常见的泵类型 - 离心泵。这种类型的泵通过旋转元件将机械旋转能量转换为流体中的能量。为了最大限度地提高效率，减少能量损失以确保离心泵利用尽可能多的动力至关重要。例如，由于摩擦或再循环（回流），可能会发生能量损失。计算流体动力学（CFD）可以以扭矩、轴向推力、压降和域内任何点的流速的形式量化性能，以确定可以优化效率的区域。
图1：离心泵设计的CFD分析
有许多设计方面会影响泵的效率，例如泵壳体，叶轮盖板、叶轮叶片数量或叶片角度等。以叶轮为例，可以改变其尺寸，例如增加直径，但这会增加其质量，从而导致更大的能量损失。试图在叶轮尺寸和质量之间找到平衡，这对寻求最高效率的工程师来说是一个挑战。
在采用中心叶轮的离心泵设计中，CFD是分析效率的有效工具。使用CFD，工程师可以分析设计的性能，轻松更改参数以了解流量如何受到影响，并生成泵的流量-效率曲线。
图2：根据模拟结果，可以轻松地生成泵流量-扬程（左）和流量-效率曲线（右）
使用CFD，可以更简单、更快速地基于某一比转速下的最佳场景找到最有效的设计。模拟设计可以在不制作物理原型（这既消耗时间，也会消耗成本）的情况下进行流体流动分析。
模拟设置
该模拟是使用K-Omega SST湍流模型进行的不可压缩的稳态分析。这种类型的分析是可靠的，非常适合具有旋转组件的应用。如果某些泵可用于输送油、污水或食品和饮料等物质，则在本案例中泵将指定用于输送水，因此选择的流体类型是 20 °C 的水。
图3：为该离心泵模拟导入了三个独立的几何模型：泵壳体、叶轮和旋转区。
在该案例中，几何模型作为三个实体导入；叶轮的体积、旋转区域的体积，以及流体的流动体积。可以认为最具挑战性的部分是叶轮本身，因为它是不断旋转的。为此，考虑了旋转区的附加体积，并应用了多参考系方法（MRF）。
MRF方法是一种简单且计算要求较少的方法，可以在不旋转几何体的情况下分析旋转元件的行为。它给出了某一时刻瞬态旋转运动的可靠近似值。在此分析中，旋转区域的角旋转速度被设置为350 rad/s。入口输入为0.004 m3/s的体积流量，该参数可以很容易地更改，以模拟在运行中的不同运行工况。出口面的压力设置为0 Pa，可以与入口面一起监测，以获得平均和积分结果。
结果
该CFD分析的结果揭示了许多设计优化的机会。特别是，速度和压力的某些变化表明了能量损失的区域。该分析的流速模式显示了能量损失的几个关键区域 - 水流经过蜗舌后的流速明显减小，在叶轮吸入孔周围发生了流动再循环（入口回流）。这种再循环的流体对泵的性能没有贡献，因此应该进行调整以恢复这种损失的能量，例如改变盖板的几何形状。
图4：CFD结果显示了叶轮（叶片）尖端处存在高压和叶轮吸入孔周围的低压区域
当流体进入泵的螺旋蜗壳时，它被转化为压力能。在理想的设计中，该区域的压力增加应该是平稳和渐进的。然而，在这种设计的初始运行中，在螺旋蜗壳的开始处速度会突然下降。这肯定会对泵的效率产生负面影响，因此应进行审查。
图5：颗粒轨迹显示了流体进入离心泵叶轮时产生的涡流
仔细观察粒子轨迹模拟，可以在泵的入口处看到流动涡流，这是一种消耗能量而不增加功率输出的常见现象。在这种情况下，叶轮的旋转会在入口处产生涡旋。为了限制这种影响，工程师可以决定在泵壳中安装鳍片，以创造更有效的设计。
图6：结果表明，叶轮叶片最靠近吸入孔处的压力非常低，这造成了泵汽蚀的风险。
等值面结果为性能优化提供了有价值的见解。在叶轮叶片最靠近吸入孔的极低压力表明存在泵汽蚀的风险。泵汽蚀不仅代表着能源的浪费，还可能导致叶轮和周围部件的严重损坏和过早失效。在这种情况下，由于冲击波，过度的噪音也成为一个问题。
结论
该模拟展示了CFD在识别设计中对效率产生负面影响的区域方面是非常有用的。利用这些结果，工程师可以做出明智的设计决策，优化涡轮机械设计，以提高整体性能、可靠性和价值。
