導讀：離心泵占世界泵產量的85%以上，被廣泛應用于污水處理、食品加工、水處理和各種制造廠，以及化工和石油產業。為了確保能源效率、防止設備故障，能夠預測和評估泵在不同運行條件下的性能顯得尤為必要，這也是計算流體力學（CFD）工具能發揮作用的所在。

許多關鍵工業流程的成長與進步與泵送設備的改善相輔相成。離心泵因為可以達到很高的泵送流量，因此在其中發揮了特別重要的作用。

事實上，離心泵占世界泵產量的85%以上，因為它被廣泛應用于污水處理、食品加工、水處理和各種制造廠，以及化工和石油產業，為這些行業泵送各種低粘度液體。同時，離心泵還可以很容易地處理含有高比例懸浮固體的液體。

現在市場上有各種類型的泵出售。對于任何工廠而言，正確的設計是最重要的考量。全球所消耗的能源中，有20%被用于運行這一種或那一種泵，而三分之二泵耗用的能源比實際需要高出60%。

為了確保能源效率、防止設備故障，能夠預測和評估泵在不同運行條件下的性能就顯得尤為必要，這也是計算流體力學（CFD）工具能發揮作用的所在。

為什么要重視仿真

任何物理產品的成本和性能通常都在設計過程的早期即已確定。從開始探索設計空間并定義產品概念之時，就已作出最有影響力的設計決策。之后階段對于生產成本的影響要緩和許多。

仿真是在產品開發早期階段發揮根本作用的工具之一，工程師籍此在這一階段作出更為明智的設計決策。這意味著最終產品的生產成本更低、能效更高、故障風險更小等等。

在云上完成仿真設計

為什么不是所有的設計師都使用仿真方法呢？因為有些因素阻礙了工程師和設計師對仿真軟件的廣泛使用。為了挑戰這一現狀，SimScale做了以下一些努力： 

? 可訪問性：傳統軟件需要在昂貴的高性能計算機上進行本地安裝，而這些計算機大部分時間都處于閑置狀態。使用SimScale，所有計算都在云上完成，只需網絡瀏覽器即可。

? 運營成本：標準商業仿真軟件包的成本是眾所周知的貴得出奇。有了SimScale，可以選擇通過免費的社區計劃或14天專業計劃試用期，立即開始仿真。

? 專有知識能力：大多數現代工具均為專家和經驗豐富的仿真工程師而設計。為了添補這一知識空缺，SimScale為用戶提供了一個大型公共項目庫、免費培訓和實時支持聊天。

工程問題

離心泵的剖視圖（圖片來源：維基共享資源Fantagu公開信息）

離心泵本質上由一組在被稱作蝸殼的殼體內旋轉的葉輪組成。流體進入葉輪的中央位置，通過葉輪葉片間的空隙，進入葉輪與泵殼間的空間。

當葉輪旋轉時，流體沿切線方向和徑線運動。當流體流過葉輪時，速度和壓力都會增加。

隨著旋轉機械能被傳送給流體，葉輪排出側的水壓和動能都會上升。在吸入側，水被不斷置換，葉輪中心處產生負壓。這種低壓有助于再次將新的水流吸入系統，并且周而復始。

葉輪是離心泵設計中最重要的部分，需要經過多年的分析和開發工作，才能成功研制而成。

理想的情況是，葉輪葉片設計向后彎曲。這些向后彎的葉片角度小于90度。由于其自穩功耗特性，這類葉片備受業界歡迎。這意味著隨著流速加大，泵的功率消耗在達到一個極限后趨于穩定。

離心泵設計優化研究

流體在渦輪機內的流動非常復雜，主要是因為三維結構帶來的湍流、二次流、不穩定等。

離心泵設計過程初期主要是基于經驗相關性，以及模型試驗與工程經驗的結合，但現在的設計要求對內部流動情況有詳細的了解。借助CFD的幫助，有望實現這一目標。

CFD仿真使離心泵內部流動的可視化成為可能，并為泵的水力模型設計提供了富有價值的信息。仿真結果被用來計算和預測離心泵的性能，從而取代了過去耗時而成本高昂的物理實驗，除了縮短整個設計周期外，還節省了大量工作。

項目概況

本案例研究采用了“用CFD仿真優化離心泵的設計”這個仿真項目作為模板。

項目使用穩態多重參考系（MRF）方法及k-omega-SST湍流模式對典型的離心式水泵進行仿真。

通過SIMPLE算法實現了壓力-速度耦合。MRF區的轉速為157.08 rad/s（1500轉/分）。

出于對（1）出口葉片角度和（2）葉片數對離心水泵性能影響的考慮擔心，采用SimScale對三種不同出口葉片角（13、23和33度）和三種不同葉片數（6、8和10）的葉輪的性能特性曲線以及局部和全局流動變量進行了數值預測。

所述離心泵設計進出口直徑分別為150mm和151.5mm，葉輪直徑為340mm，其域則為在SimScale平臺上利用‘snappy-hex-mesh’匹配的幾何圖形。所得網格由大約450萬個單元組成，如下圖所示。

等壓線

從上述等壓力線可以看出，泵入口與出口之間的最大和最小壓差（208.4 kPa、116.6 kPa）分別出現在葉片出口角度為33度和13度（116.6 kPa）的泵中。壓力邊界條件為泵出口處的壓力為0表壓固定值。

等壓線

從等壓力線可以看出，10葉片泵和6葉片泵的入口和出口之間最大壓差分別為230.5 kPa和161.04 kPa。 

葉片數量為8和10的泵的性能比較（葉片角度30度）

最佳效率點

最佳效率點（BEP）是指泵在給定葉輪直徑下以最高或最佳效率運行時的流量。本文中，泵的BEP是在432?/小時的流速下獲得的。此外，8葉片和10葉片的泵的最大效率分別為60.5%和62.04%。

最佳效率點的水頭

由于BEP發生在432?/小時的流速下，分別相當于8葉片和10葉片泵在水頭26.65米與28.33米處與泵曲線相交。

結論

如本案例研究所示，離心泵是一種簡單但必不可少的設備。看似很小的設計變化，如出口葉片角度或葉片數量的改變，都會對泵的性能產生實質性的影響。

隨著離心泵設計配置日益多樣化，對每種配置進行物理測試或僅僅依靠經驗，將使設計過程費時費力漫長且無必要。同樣的設計實驗可以通過數值分析和仿真，在數分鐘或數小時內獲得同樣精確的結果。

作者：Anastasia Churazova

文章來源：國際泵閥技術