从工程设计的角度优化泵叶轮

 

 

Anagnostopoulos博士的论文描述了有多少种可控的几何变量会有效地影响离心泵的最终效率，叶轮盖进口高度仅是其中之一。每项设计有很大的持续改进的余地，还有一些同样重要的变量，包括叶片数、出进口角度、出口宽度等。

 

泵会表现出不稳定性，而且两阶段的研究案例有助于人们更深入地了解流体在设备中的状况，如是否发生了令人头疼的气蚀现象。

 

从扬程来看，泵的水力效率预计会表现出相似的特性，这是因为增加进口面积时产生了摩擦损失。

 

水力效率的计算公式为η=Pout/Pin（%），而Pout是泵出口的功率（Pout=扬程），Pin是进入系统的功率（Pin=扭矩ω），因为我们比较的是泵输入与输出功率之比。

 

径向型泵叶轮的设计效果

 

本项目旨在模拟并评估采用不同设计方案的泵叶轮的性能。

 

研究目的

 

本项目旨在模拟并评估当泵叶轮盖进口高度设置为不同值时，泵叶轮的性能有何不同，同时，通过利用MRF网格，展示设计平台进行各种泵叶轮设计测试和验证的潜力。由JohnAnagnostopoulos博士负责，将设计方法应用于原型泵的模型，作为“对径向型泵叶轮进行CFD分析和设计效果”研究的基础。该项目对包括叶轮盖进口尺寸在内的不同变量与泵的效率之间的关系进行了考察，并计算出了作为重要参数的扬程。

 

闭式叶轮

 

离心泵是当今最常用的泵之一，有多种形式和组件，通过产生吸力，在电机的驱动下为工作流体（通常是水）提供能量。

 

常见组成部分为：

 

•叶轮：泵的旋转部分，叶片连接在叶轮上；

 

扩压器：泵出口区域的关键部分（叶片或无叶片），在这个地方，流量减速，静压下降；

 

•涡旋/蜗壳：在扩压器后面，负责收集流量并将其引至出口的弯曲漏斗。通过增加其周长，保持速度并避免任何静压不均匀；

 

•进口导叶：这些装置放置在叶轮前，用于将水流导入叶轮。

 

CAD

 

本研究的对象是径向型泵叶轮，其尺寸如下：

 

 

标称流量设为313/h，以便“符合相应的实验室模型泵设计要求”。这也是本仿真设计中所使用的转速，因此可以使用参考文章来验证仿真结果。

 

用Solidworks软件创建了一个和叶轮盖几乎相同的组件，其中，将叶轮盖进口高度（Ls）尺寸设置成从20mm缓慢增至50mm。为了“防止在出口边界处设置的自由旋涡条件产生任何负面影响”，泵叶轮和顶部的半径比叶片部分的初始出口更大。渲染工作采用了Simscale后处理器完成。

 

 

网格

 

叶轮应用了MRF区，如上图所示（红色柱形框）。为充分利用16个可用核，对这个内部不可压缩流体研究采用了六面体参数（SnappyHexMesh），最终的网格包括：

 

MRF

 

•细化MRF区（带叶片的叶轮）的表面（单元）

 

•细化整个组件区域

 

•膨胀整个组件边界层

 

对其它诸多组合进行了试运行，但由于MRF区的额外计算量，16核网格划分抑或是之后的仿真都失败了。这个组合被应用于所有研究。

 

叶轮盖进口高度的网格化

 

 

模拟与收敛

 

研究人员应用MRF区域，采用RANS方程（雷诺平均N-S方程）以及k-ω双方程湍流模型，对叶轮进行了稳态不可压缩仿真。叶轮盖进口高度的研究，所用实际时间和核心时间如下：

 

 

下图显示了叶轮盖进口高度（Ls）为30mm时的收敛图。20mm和25mm在大约1700个回路后收敛，叶轮盖高度的增加导致残差不稳定。叶轮盖进口高度（Ls）为45mm和50mm时，如下图结果部分所示，再循环显示出收敛性较差。

 

 

结果及后处理

 

本研究的目的是将叶轮盖入口高度增加至一定值时，可以增加泵的扬程。

 

扬程

 

随着叶轮盖入口高度增加，速度降低，流体更多地沿着轴向以平滑的方式进入叶片区域，因此出口压力增加，但与此同时，摩擦损失同时也增加。

 

 

40mm是最后一次没有显示大的再循环区域的测试，在45mm和50mm时，可以从动画中以及扬程结果明显看到这一现象。由于再循环的存在，出现了动能损失，导致性能恶化。

 

扬程计算公式为H=（Δp）/（rho*g），单位为米。其中，Δp是泵的进口和出口之间的总压差（Δp=出口压力-进口压力），rho是工作流体的密度，g是重力加速度常数（9.81m/s2）

 

 

与Anagnostopoulos博士所示的扬程连续增加的研究结果相比，图中所示为当Ls在大约40mm这一特定结构时的最大扬程：

 

 

导致泵的性能出现差异的背后原因可能是：

 

•没有完全定义泵的叶片设计曲线，因为参考只提到了进口和出口角度，大大减少了两只泵的形状，特别是它们的叶片之间的间隙完全相同的可能性；

 

•参考文章使用k-ε湍流模型，本研究使用了k-ω双方程湍流模型，如前所述；

 

•虽然Ls取其它值时显示出了良好的收敛性，但取45mm和50mm时，仿真结果不符合最终残差要求（<1e-4）。