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優(yōu)化離心泵設計效率

發(fā)布時間2019-11-04人氣：259


在處理渦輪機械時，例如壓縮機，螺旋槳或離心泵之類的泵，最小的設計變更就會產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)機器的不同，即使效率提高1％，也可以在機器的整個使用壽命期間節(jié)省數(shù)千美元的成本。

渦輪機在轉(zhuǎn)子和流體之間傳遞能量。這樣，機械能被轉(zhuǎn)換成壓力或揚程。通常在渦輪機械設計中，工程師的主要目標是效率，可靠性，性能和延長使用壽命。粗略地講，一臺機器應在盡可能長的時間內(nèi)發(fā)揮最佳性能，盡可能有效地回收盡可能多的能量，并且需要的維護最少。盡管這些因素直接符合制造商，供應商和客戶的利益，但由于對環(huán)境影響的法規(guī)日益嚴格以及人們對舒適性的要求不斷提高，因此諸如噪聲污染或排放物排放之類的其他考慮也越來越重要。所有這些方面都需要在設計階段進行仔細的計算。

渦輪機械設計我們的案例：采用CFD的離心泵設計

以渦輪機械為例，此案例模擬了常見的泵類型；離心泵。這種類型的泵通過旋轉(zhuǎn)元件將旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換成流體中的能量。為了最大程度地提高效率，至關(guān)重要的是減少能量損失，以確保機器可以利用盡可能多的功率。例如，由于摩擦或再循環(huán)，可能會發(fā)生能量損失。計算流體動力學（CFD）使得可以在域內(nèi)任意點以轉(zhuǎn)矩，軸向推力，壓降和流動速度的形式量化性能，以識別可以優(yōu)化效率的區(qū)域。

CFD分析顯示渦輪泵設計中的速度和壓力流離心泵設計的CFD分析

可能會影響泵效率的許多設計方面，例如機殼，護罩，葉輪葉片的數(shù)量或葉片角度等。著眼于葉輪，可以改變其尺寸，例如通過增加直徑來進行改變，但是這會增加質(zhì)量，因此導致更大的能量損失。試圖在葉輪尺寸和質(zhì)量之間找到平衡點，對尋求最大效率的工程師提出了挑戰(zhàn)。

對于帶有中央葉輪的離心泵設計，CFD是分析效率的有益工具。工程師可以使用CFD分析設計的性能，輕松更改參數(shù)以查看流量如何受到影響，并創(chuàng)建效率泵曲線。

泵曲線顯示壓頭和流速效率為每秒350 rad根據(jù)仿真結(jié)果，您可以輕松生成泵效率曲線。

使用CFD，以最佳速度根據(jù)最佳方案找到最高效的設計變得更加簡單和快捷。模擬設計可進行流體流動分析，而無需進行物理原型制作，這會浪費時間和成本。

仿真設置

通過使用不可壓縮的穩(wěn)態(tài)分析和K-Omega SST湍流模型來建立仿真。這種類型的分析功能強大，非常適合旋轉(zhuǎn)組件的應用。在某些泵可能用于油，污水，食品和飲料等物質(zhì)的地方，該泵將用于水，因此選擇的流體類型為20°C的水。

用于泵設計仿真的三個獨立的CAD體積幾何為該離心泵模擬輸入了三個單獨的幾何形狀。泵的設計，葉輪和旋轉(zhuǎn)區(qū)域。

對于此項目，幾何體被導入為三個體積。葉輪容積，旋轉(zhuǎn)區(qū)域容積和流體流量。葉輪本身在不斷旋轉(zhuǎn)，因此可以認為是最具挑戰(zhàn)性的部分。因此，包括了旋轉(zhuǎn)區(qū)域的額外體積，并應用了多參考框架方法（MRF）。

MRF方法是一種簡單且計算量較少的方法，無需旋轉(zhuǎn)仿真中的幾何圖形即可分析旋轉(zhuǎn)元件的行為。它提供了在某個時刻瞬時旋轉(zhuǎn)運動的可靠近似值。為了進行該分析，將旋轉(zhuǎn)區(qū)域的角旋轉(zhuǎn)速度設置為350rad / s。入口以0.004 m3 / s的體積流速輸入，該參數(shù)可以很容易地更改以模擬并行運行中的不同操作條件。出口面的壓力設置為0 Pa，可以與入口面一起對其進行監(jiān)控，以獲取平均結(jié)果和積分結(jié)果。

結(jié)果

CFD分析的結(jié)果揭示了設計優(yōu)化的許多機會。特別是，速度和壓力的某些變化表明能量損失的區(qū)域。該分析的流速模式顯示了一些能量損失的關(guān)鍵區(qū)域。流速明顯地降低了流過截水的速度，并且在葉輪的孔眼周圍發(fā)生了再循環(huán)。這種再循環(huán)的流體不會影響泵的性能，因此應進行調(diào)整以恢復這種損失的能量，例如改變罩的幾何形狀。

渦輪機械泵設計的CFD分析顯示高低壓CFD結(jié)果顯示出葉輪尖端處的高壓和葉輪孔周圍的低壓區(qū)域。

當流體進入泵的螺旋蝸殼時，它轉(zhuǎn)化為壓力能。在理想的設計中，在該區(qū)域經(jīng)歷的壓力增加是平穩(wěn)且逐漸的。但是，在此設計的最初階段，螺旋蝸殼開始時速度突然降低。這肯定會對泵的效率產(chǎn)生負面影響，應予以檢查。

微粒痕量分析顯示流體進入泵設計的葉輪微粒痕跡顯示出當流體進入離心泵的葉輪時產(chǎn)生的渦流。

仔細觀察粒子軌跡模擬，可以在泵的入口處看到旋渦，這是一種常見的現(xiàn)象，它消耗能量而不影響功率輸出。在這種情況下，葉輪旋轉(zhuǎn)會在進口處引起渦旋。為了限制這種影響，工程師可以決定在泵殼中包括散熱片，以創(chuàng)建更有效的設計。

CFD分析中的等值面模擬顯示泵氣蝕的風險結(jié)果表明，最靠近眼睛的葉輪葉片角處的壓力極低。這帶來了泵氣蝕的風險。

等值面結(jié)果揭示了用于性能優(yōu)化的寶貴見解。葉輪葉片拐角處的壓力極低，靠近眼睛，這表明存在泵氣蝕的危險。泵的氣穴現(xiàn)象不僅浪費能源，而且還會造成葉輪及周圍部件的嚴重損壞和過早損壞。在這種情況下，由于沖擊波，過多的噪音也會成為問題。

離心泵分析結(jié)論

該仿真演示了CFD在識別設計中對效率產(chǎn)生負面影響的區(qū)域方面的有用性。使用這樣的結(jié)果，工程師可以從他們的Web瀏覽器的舒適性中做出明智的設計決策，以優(yōu)化渦輪機械設計，以提高整體性能，可靠性和價值。


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