通过CFD仿真，改进离心泵设计

诸多关键工业过程的发展与进步始终与泵送设备的改进密切相关。离心泵因其适合处理高流量，因此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，通常应用于污水处理、食品加工、水处理和制造厂、及化工和石油工业，用于泵送所有类型的低粘度流体。它们还可以轻松处理含有高比例悬浮固体的液体。

由于存在多种可用的泵配置，对于任何设施来说恰当的设计都是至为重要。全球总能耗的20%都被用于运行这台或那台泵，而其中三分之二的泵的能耗超出所需能源的60%。

为了确保能效并防止设备故障，对泵在不同运行条件下的性能进行预测和评估非常重要。这就是计算流体动力学（CFD）工具能发挥作用之所在。

为什么要注重离心泵的仿真

任何实物产品的成本和性能通常都在设计过程的早期即已确定。开始探索设计空间并定义产品概念的阶段，是做出最具影响力的设计决策的阶段。此后各阶段对于生产成本的影响要缓和得多。

仿真是在早期产品开发阶段发挥基础作用的工具之一，它使工程师能够在产品开发流程的早期做出更为明智的设计决策，对于最终产品，这意味着更低的生产成本、更高效的能源消耗、更低的故障风险等。

为什么要选用SimScale进行离心泵的设计？

为什么并非所有的设计师都在使用仿真软件呢？当前存在的一些障碍阻碍了工程师和设计师更广泛地采用仿真软件，SimScale则通过以下方法破解了这一难题。

可访问性：传统软件需要安装在昂贵的本地高性能计算机上，而这些计算机大部分时间处于空闲状态。有了SimScale，所有的计算可基于云操作，只需要一个web浏览器即可。

运营成本：标准的商业仿真软件包的价格之昂贵众所周知。有了SimScale，就可以选择免费社区计划或14天专业计划试用立即开始仿真设计。

专业诀窍：大多数现代工具都是为专家和经验丰富的仿真工程师而设计。为了弥合这一知识鸿沟，SimScale提供了一个大型公共项目库、免费培训和实时支持聊天功能。

离心泵的制造问题

离心泵的剖视图

离心泵主要由一个在被称为蜗壳的壳体中旋转的叶轮组成。流体进入叶轮的孔眼（中心），然后通过叶轮叶片之间的空间，流出到叶轮和壳体壁之间的空间。当叶轮旋转时，流体元件的速度分为切向和径向。流体流经叶轮时，速度和压力都会增加。

由于旋转机械能被转移到流体上，在叶轮的排出侧，水的压力和动能都将升高。而在吸入侧，水被不断排离，因此会在孔眼处产生负压。这一低压有助于将淡水流再次吸入系统，而这一过程会持续进行。

叶轮是离心泵设计中最重要的部分。经过多年的分析和开发工作，人们已开发出成功的叶轮。最佳叶轮的轮叶（叶片）被设计为向后弯曲。这些后弯叶片的叶片角度小于90度，由于其自稳定功耗特性，成为行业中最首选的叶片类型。这意味着随着流速的增加，泵的功耗在达到极限后会趋于稳定。

离心泵设计优化研究

叶轮机械中的流体非常复杂，主要应归因于三维开发结构涉及湍流、二次流、失稳等。离心泵设计过程最初是基于经验关联、模型试验和工程经验进行的。然而，现在的设计要求对内部流动有深刻的了解，有了CFD的帮助，有望实现这一目标。

CFD仿真有望可视化离心泵内部的流动条件，并可提供有价值的泵水力设计信息。仿真结果被用于计算和预测离心泵的性能，取代了过去费时费钱的物理实验。除了缩短整个设计周期外，还节省了大量的工作。

离心泵项目概述

本文的案例研究将使用CFD优化离心泵设计作为仿真项目的模板。

本项目使用稳态多重参考系（MRF）法和k-omega SST湍流模型来仿真常规的离心水泵。通过SIMPLE算法进行压力-速度耦合。MRF区域的旋转速度为157.08 rad/s（1500 rpm）。

本项目涉及（1）出口叶片角度，和（2）叶片数量对离心水泵性能的影响。利用SimScale，对具有三种不同出口叶片角度（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、以及局部和全局流量变量进行数值预测。

所考虑的离心泵设计入口直径为150mm，出口直径为151.5mm，叶轮直径为340mm。其流体域使用了SimScale平台上的‘snappy hex mesh’进行网格划分出的几何结构。生成的网格由大约450万个单元组成，如下图所示。

（1）出口叶片角度变化的影响

流量参数 ? 叶片数量：8 ? K-Omega SST湍流模型 ? 稳态、不可压缩流 ? 多重参考系（MRF）法 ? 叶轮转速：1500 rpm ? 入口体积流量：540立方米/小时 ? 蜗壳出口面 - 压力出口（0表压）

压力等值线结果表明，叶片出口角度为33度的泵，其进出口之间的压差最大（208.4 KPa），13度时压差最小（116.6 KPa）,且泵出口设置为定值压力出口，0表压边界条件。

（2）叶片数变化的影响

流量参数 ? 出口叶片角度：33度 ? K-Omega SST湍流模型 ? 稳态、不可压缩流 ? 多重参考系（MRF）法 ? 叶轮转速：1500 rpm ? 入口体积流量：540立方米/小时 ? 蜗壳出口面 - 压力出口（0表压）

从压力等值线结果可以看出，十叶片泵的进出口间的压差最大（230.5 KPa），六叶片泵的压差最小（161.04 KPa）。

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。该泵的BEP位于432?/hr这一位置。此外，八叶片泵和十叶片泵的最大效率分别为60.5%和62.04%。

最佳效率点处的压头

由于BEP发生在432个单位（?/hr）的流量下，因此该流量也与泵曲线相交，分别等于26.65米和28.33米的水头（各对应八叶片泵和十叶片泵）。

总结

如本案例研究所示，离心泵是一种简单但必不可少的设备。看似微小的设计变化，如出口叶片角度或叶片数量，可能会对泵的性能产生重大影响。

由于离心泵设计配置众多，对每种配置进行物理测试或仅依靠经验，将使设计过程变得不必要的漫长且昂贵。同样的设计实验可以通过数值分析和仿真进行，在几分钟或几小时内即可获得同样精确的结果。

这只是CFD工具帮助工程师评估其泵送设备设计的一个例子。SimScale公共项目库中有多种仿真模板可供选择，涵盖工业设备和机械、商业和工业风扇、阀门等不同设计领域。