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生巨大的影響。根據機器的不同，即使效率提高1％，也可以在機器的整個使用壽命期間節(jié)省數千美元的成本。

渦輪機在轉子和流體之間傳遞能量。這樣，機械能被轉換成壓力或揚程。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元件將旋轉能轉換成流體中的能量。為了最大程度地提高效率，至關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）使得可以在域內任意點以轉矩，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。

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，但是這會增加質量，因此導致更大的能量損失。試圖在葉輪尺寸和質量之間找到平衡點，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，輕松更改參數以查看流量如何受到影響，并創(chuàng)建效率泵曲線。

使用CFD，以最佳速度根據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，非常適合旋轉組件的應用。在某些泵可能用于油，污水，食品和飲料等物質的地方，該泵將用于水，因此選擇的流體類型為20°C的水。

對于此項目，幾何體被導入為三個體積。葉輪容積，旋轉區(qū)域容積和流體流量。葉輪本身在不斷旋轉，因此可以認為是最具挑戰(zhàn)性的部分。因此，包括了旋轉區(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，無需旋轉仿真中的幾何圖形即可分析旋轉元件的行為。它提供了在某個時刻瞬時旋轉運動的可靠近似值。為了進行該分析，將旋轉區(qū)域的角旋轉速度設置為350rad / s。入口以0.004 m3 / s的體積流速輸入，該參數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，以獲取平均結果和積分結果。

結果

CFD分析的結果揭示了設計優(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，因此應進行調整以恢復這種損失的能量，例如改變罩的幾何形狀。

當流體進入泵的螺旋蝸殼時，它轉化為壓力能。在理想的設計中，在該區(qū)域經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生負面影響，應予以檢查。

仔細觀察粒子軌跡模擬，可以在泵的入口處看到旋渦，這是一種常見的現象，它消耗能量而不影響功率輸出。在這種情況下，葉輪旋轉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。

等值面結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。

離心泵分析結論

該仿真演示了CFD在識別設計中對效率產生負面影響的區(qū)域方面的有用性。使用這樣的結果，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。