作為渦輪機械的一個例子，本案例模擬了一種常見的泵類型 - 離心泵。這種類型的泵通過旋轉(zhuǎn)元件將機械旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為流體中的能量。為了最大限度地提高效率，減少能量損失以確保離心泵利用盡可能多的動力至關(guān)重要。例如，由于摩擦或再循環(huán)（回流），可能會發(fā)生能量損失。計算流體動力學(xué)（CFD）可以以扭矩、軸向推力、壓降和域內(nèi)任何點的流速的形式量化性能，以確定可以優(yōu)化效率的區(qū)域。

圖1：離心泵設(shè)計的CFD分析

圖2：根據(jù)模擬結(jié)果，可以輕松地生成泵流量-揚程（左）和流量-效率曲線（右）

使用CFD，可以更簡單、更快速地基于某一比轉(zhuǎn)速下的最佳場景找到最有效的設(shè)計。模擬設(shè)計可以在不制作物理原型（這既消耗時間，也會消耗成本）的情況下進行流體流動分析。

該模擬是使用K-Omega SST湍流模型進行的不可壓縮的穩(wěn)態(tài)分析。這種類型的分析是可靠的，非常適合具有旋轉(zhuǎn)組件的應(yīng)用。如果某些泵可用于輸送油、污水或食品和飲料等物質(zhì)，則在本案例中泵將指定用于輸送水，因此選擇的流體類型是 20 °C 的水。

圖3：為該離心泵模擬導(dǎo)入了三個獨立的幾何模型：泵殼體、葉輪和旋轉(zhuǎn)區(qū)。

該CFD分析的結(jié)果揭示了許多設(shè)計優(yōu)化的機會。特別是，速度和壓力的某些變化表明了能量損失的區(qū)域。該分析的流速模式顯示了能量損失的幾個關(guān)鍵區(qū)域 - 水流經(jīng)過蝸舌后的流速明顯減小，在葉輪吸入孔周圍發(fā)生了流動再循環(huán)（入口回流）。這種再循環(huán)的流體對泵的性能沒有貢獻，因此應(yīng)該進行調(diào)整以恢復(fù)這種損失的能量，例如改變蓋板的幾何形狀。

圖4：CFD結(jié)果顯示了葉輪（葉片）尖端處存在高壓和葉輪吸入孔周圍的低壓區(qū)域

當(dāng)流體進入泵的螺旋蝸殼時，它被轉(zhuǎn)化為壓力能。在理想的設(shè)計中，該區(qū)域的壓力增加應(yīng)該是平穩(wěn)和漸進的。然而，在這種設(shè)計的初始運行中，在螺旋蝸殼的開始處速度會突然下降。這肯定會對泵的效率產(chǎn)生負面影響，因此應(yīng)進行審查。

圖5：顆粒軌跡顯示了流體進入離心泵葉輪時產(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流動渦流，這是一種消耗能量而不增加功率輸出的常見現(xiàn)象。在這種情況下，葉輪的旋轉(zhuǎn)會在入口處產(chǎn)生渦旋。為了限制這種影響，工程師可以決定在泵殼中安裝鰭片，以創(chuàng)造更有效的設(shè)計。

圖6：結(jié)果表明，葉輪葉片最靠近吸入孔處的壓力非常低，這造成了泵汽蝕的風(fēng)險。

等值面結(jié)果為性能優(yōu)化提供了有價值的見解。在葉輪葉片最靠近吸入孔的極低壓力表明存在泵汽蝕的風(fēng)險。泵汽蝕不僅代表著能源的浪費，還可能導(dǎo)致葉輪和周圍部件的嚴重損壞和過早失效。在這種情況下，由于沖擊波，過度的噪音也成為一個問題。

該模擬展示了CFD在識別設(shè)計中對效率產(chǎn)生負面影響的區(qū)域方面是非常有用的。利用這些結(jié)果，工程師可以做出明智的設(shè)計決策，優(yōu)化渦輪機械設(shè)計，以提高整體性能、可靠性和價值。