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CFD仿真优化离心泵

来源:国际泵阀技术商情 发布时间:2020-02-11
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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。
 
在云上完成仿真设计
 
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。
 
 
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157.08rad/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,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‘snappyhex-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。
 
 
1)出口叶片角度变化的影响
 
流体参数
 
•叶片数=8
 
•K-OmegaSST湍流模型
 
•稳态、不可压缩流体
 
•多重参考系法(MRF)
 
•叶轮转速=1500转/分
 
•入口容积流量=540m³/小时
 
•蜗壳出口面出口压力0表压
 
 
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(208.4kPa、116.6kPa)分别出现在叶片出口角度为33度和13度(116.6kPa)的泵中。压力边界条件为泵出口处的压力为0表压固定值。
 
 
2)叶片数量变化的效果
 
流体参数
 
•出口叶片角度=33度
 
•K-OmegaSST湍流模型
 
•稳态、不可压缩流体
 
•多重参考系法(MRF)
 
•叶轮转速=1500转/分
 
•入口容积流量=540m³/小时
 
•蜗壳出口面出口压力=0表压
 
 
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230.5kPa和161.04kPa。
 
叶片数量为8和10的泵的性能比较(叶片角度30度)
 
最佳
 
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432m³/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。
 
以上只是CFD工具帮助工程师评估泵送设备设计的众多案例中的一个。SimScale公共项目库拥有大量仿真模板,涵盖各种工业设备、机械、泵、阀的各个层面的设计。
 
读者可以在公司网站填写简短的表格,下载学习SimScale云平台考察和优化管道系统设计的相关案例。
 
 

作者:Anastasia Churazova

www.simscale.com

 

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