用CFD仿真优化离心泵的设计

导读：离心泵占世界泵产量的85%以上，被广泛应用于污水处理、食品加工、水处理和各种制造厂，以及化工和石油产业。为了确保能源效率、防止设备故障，能够预测和评估泵在不同运行条件下的性能显得尤为必要，这也是计算流体力学（CFD）工具能发挥作用的所在。

许多关键工业流程的成长与进步与泵送设备的改善相辅相成。离心泵因为可以达到很高的泵送流量，因此在其中发挥了特别重要的作用。

事实上，离心泵占世界泵产量的85%以上，因为它被广泛应用于污水处理、食品加工、水处理和各种制造厂，以及化工和石油产业，为这些行业泵送各种低粘度液体。同时，离心泵还可以很容易地处理含有高比例悬浮固体的液体。

现在市场上有各种类型的泵出售。对于任何工厂而言，正确的设计是最重要的考量。全球所消耗的能源中，有20%被用于运行这一种或那一种泵，而三分之二泵耗用的能源比实际需要高出60%。

为了确保能源效率、防止设备故障，能够预测和评估泵在不同运行条件下的性能就显得尤为必要，这也是计算流体力学（CFD）工具能发挥作用的所在。

为什么要重视仿真

任何物理产品的成本和性能通常都在设计过程的早期即已确定。从开始探索设计空间并定义产品概念之时，就已作出最有影响力的设计决策。之后阶段对于生产成本的影响要缓和许多。

仿真是在产品开发早期阶段发挥根本作用的工具之一，工程师籍此在这一阶段作出更为明智的设计决策。这意味着最终产品的生产成本更低、能效更高、故障风险更小等等。

在云上完成仿真设计

为什么不是所有的设计师都使用仿真方法呢？因为有些因素阻碍了工程师和设计师对仿真软件的广泛使用。为了挑战这一现状，SimScale做了以下一些努力： 

• 可访问性：传统软件需要在昂贵的高性能计算机上进行本地安装，而这些计算机大部分时间都处于闲置状态。使用SimScale，所有计算都在云上完成，只需网络浏览器即可。

• 运营成本：标准商业仿真软件包的成本是众所周知的贵得出奇。有了SimScale，可以选择通过免费的社区计划或14天专业计划试用期，立即开始仿真。

• 专有知识能力：大多数现代工具均为专家和经验丰富的仿真工程师而设计。为了添补这一知识空缺，SimScale为用户提供了一个大型公共项目库、免费培训和实时支持聊天。

工程问题

离心泵的剖视图（图片来源：维基共享资源Fantagu公开信息）

离心泵本质上由一组在被称作蜗壳的壳体内旋转的叶轮组成。流体进入叶轮的中央位置，通过叶轮叶片间的空隙，进入叶轮与泵壳间的空间。

当叶轮旋转时，流体沿切线方向和径线运动。当流体流过叶轮时，速度和压力都会增加。

随着旋转机械能被传送给流体，叶轮排出侧的水压和动能都会上升。在吸入侧，水被不断置换，叶轮中心处产生负压。这种低压有助于再次将新的水流吸入系统，并且周而复始。

叶轮是离心泵设计中最重要的部分，需要经过多年的分析和开发工作，才能成功研制而成。

理想的情况是，叶轮叶片设计向后弯曲。这些向后弯的叶片角度小于90度。由于其自稳功耗特性，这类叶片备受业界欢迎。这意味着随着流速加大，泵的功率消耗在达到一个极限后趋于稳定。

离心泵设计优化研究

流体在涡轮机内的流动非常复杂，主要是因为三维结构带来的湍流、二次流、不稳定等。

离心泵设计过程初期主要是基于经验相关性，以及模型试验与工程经验的结合，但现在的设计要求对内部流动情况有详细的了解。借助CFD的帮助，有望实现这一目标。

CFD仿真使离心泵内部流动的可视化成为可能，并为泵的水力模型设计提供了富有价值的信息。仿真结果被用来计算和预测离心泵的性能，从而取代了过去耗时而成本高昂的物理实验，除了缩短整个设计周期外，还节省了大量工作。

项目概况

本案例研究采用了“用CFD仿真优化离心泵的设计”这个仿真项目作为模板。

项目使用稳态多重参考系（MRF）方法及k-omega-SST湍流模式对典型的离心式水泵进行仿真。

通过SIMPLE算法实现了压力-速度耦合。MRF区的转速为157.08 rad/s（1500转/分）。

出于对（1）出口叶片角度和（2）叶片数对离心水泵性能影响的考虑担心，采用SimScale对三种不同出口叶片角（13、23和33度）和三种不同叶片数（6、8和10）的叶轮的性能特性曲线以及局部和全局流动变量进行了数值预测。

所述离心泵设计进出口直径分别为150mm和151.5mm，叶轮直径为340mm，其域则为在SimScale平台上利用‘snappy-hex-mesh’匹配的几何图形。所得网格由大约450万个单元组成，如下图所示。

等压线

从上述等压力线可以看出，泵入口与出口之间的最大和最小压差（208.4 kPa、116.6 kPa）分别出现在叶片出口角度为33度和13度（116.6 kPa）的泵中。压力边界条件为泵出口处的压力为0表压固定值。

等压线

从等压力线可以看出，10叶片泵和6叶片泵的入口和出口之间最大压差分别为230.5 kPa和161.04 kPa。 

叶片数量为8和10的泵的性能比较（叶片角度30度）

最佳效率点

最佳效率点（BEP）是指泵在给定叶轮直径下以最高或最佳效率运行时的流量。本文中，泵的BEP是在432㎥/小时的流速下获得的。此外，8叶片和10叶片的泵的最大效率分别为60.5%和62.04%。

最佳效率点的水头

由于BEP发生在432㎥/小时的流速下，分别相当于8叶片和10叶片泵在水头26.65米与28.33米处与泵曲线相交。

结论

如本案例研究所示，离心泵是一种简单但必不可少的设备。看似很小的设计变化，如出口叶片角度或叶片数量的改变，都会对泵的性能产生实质性的影响。

随着离心泵设计配置日益多样化，对每种配置进行物理测试或仅仅依靠经验，将使设计过程费时费力漫长且无必要。同样的设计实验可以通过数值分析和仿真，在数分钟或数小时内获得同样精确的结果。

作者：Anastasia Churazova

文章来源：国际泵阀技术