通过CFD模拟改进离心泵水力设计

许多关键工业流程的发展和改进始终与泵送设备的改进联系在一起。离心泵由于其处理大流量的能力而发挥着特别重要的作用。事实上，离心泵占世界泵产量的85%以上，因为它们经常用于污水、食品加工、水处理和制造厂，以及化学和石油行业，用于泵送所有类型的低粘度液体。它们还可以容易地处理含有高比例悬浮固体的液体。

由于可用的泵的配置（如叶片角度和叶片数）多种多样，合理的设计是任何设施最重要的要求。全球消耗的总能源的20%用于运行这样或那样配置的泵 - 然而，其中三分之二的泵所消耗的能源比所需的多60%。为了保证能源效率和防止设备故障，能够预测和评估泵在不同运行工况下的性能是非常重要的。这就是计算流体动力学（CFD）工具可以提供帮助的地方。

1）可访问性：传统软件需要安装在本地昂贵的高性能计算机上，而这些计算机大部分时间都处于空闲状态。有了SimScale，所有的计算都是基于云的 - 所需要的只是一个网络浏览器。

2）运营成本：标准商业模拟软件包是出了名的昂贵。有了SimScale，可以选择立即开始免费的Community Plan或Professional Plan的14天试用。

3）专有技术：大多数现代工具都是为专家和经验丰富的模拟工程师设计的。为了弥合这一知识差距，SimScale提供了一个大型公共项目库，免费培训和实时支持聊天。

悬臂式离心泵主要由一个在称为蜗壳的壳体中旋转的叶轮组成。流体进入叶轮的吸入孔（中心），并通过叶轮叶片之间的空间排出到叶轮和壳体壁之间的空间。当叶轮旋转时，流体的速度呈切向和径向方向。当流体流过叶轮时，速度和压力都会增加。由于旋转机械能被传递到流体，在叶轮的排出侧，流体的压力和动能都会上升。在吸入侧，流体被移走，因此会在（叶轮）吸入孔处产生负压。这种低压有助于将吸入侧液流再次吸入系统，这一过程循环往复。

叶轮是离心泵设计中最重要的部分。经过多年的分析和研发工作，已经开发出了成功的叶轮。最佳叶轮的叶片通过设计是向后弯曲的。这些向后弯曲的叶片具有小于90度的叶片角，并且由于其自稳定的功耗特性而成为行业中最优选的叶片类型。这意味着，随着流量的增加，泵的功耗在达到极限之后将趋于稳定。

涡轮机械中流动的复杂性主要是由于3D开发的结构涉及湍流、二次流、不稳定等。离心泵的设计过程最初基于经验相关性、模型测试和工程经验的结合。然而，如今的设计要求对内部流动有详细的了解 -这在CFD的帮助下是可能的。

CFD模拟使离心泵内部的流动状态可视化成为可能，并提供了有关泵的水力设计的宝贵信息。模拟结果用于计算和预测离心泵的性能，取代了过去漫长而昂贵的物理实验。除了缩短整个设计周期外，还节省了大量的工作。

在我们的案例研究中，我们将使用这个模拟项目作为模板：通过CFD模拟对离心泵设计进行优化。

该项目使用稳态多参考系（MRF）方法和k-ω SST湍流模型模拟了一台典型的离心水泵。通过SIMPLE算法实现了压力-速度耦合。MRF区域的旋转速度为157.08 rad/s（1,500 rpm）。本项目研究了：1）出口叶片角和2）叶片数量对离心水泵性能的影响。使用SimScale对具有三个不同出口叶片角（即13、23和33度）和三个不同叶片数量（即6、8和10片）的叶轮的性能特性曲线以及局部和全局流量变量进行了数值预测。

所考虑的离心泵设计入口直径为150 mm，出口直径为151.5 mm，叶轮直径为340 mm。域是使用SimScale平台上的“快速十六进制网格”进行网格划分的几何体。生成的网格由大约450万个单元组成，如下图所示。

1）叶片数量=8

2）k-ω SST湍流模型

3）稳态，不可压缩流体

4）多参考系（MRF）方法

5）叶轮转速=1,500 rpm

6）入口体积流量=540 m³/h

7）蜗壳出口面 - 压力出口（0表压）

1）出口叶片角=33度

2）k-ω SST湍流模型

3）稳态，不可压缩流体

4）多参考系（MRF）方法

5）叶轮转速=1,500 rpm

6）入口体积流量=540 m³/h

7）蜗壳出口面 - 压力出口（0表压）

压力云图

从压力云图可以看出，泵入口和出口之间的最大压差230.5 KPa出现在十个叶片的泵上，最小压差161.04 KPa出现在六个叶片的泵上。

如本案例研究所示，离心泵是一种简单但必不可少的装置。看似微小的设计变化，如叶轮出口叶片角或叶片数量，可能会对泵的性能产生重大的影响。由于可用的离心泵设计配置众多，对其中每一种进行物理测试或仅凭经验将使设计过程变得不必要地漫长和昂贵。同样，设计实验也可以使用数值分析和模拟进行，并且在几分钟或几小时内就能获得同样准确的结果。