許多關鍵工業(yè)流程的發(fā)展和改進始終與泵送設備的改進聯(lián)系在一起。離心泵由于其處理大流量的能力而發(fā)揮著特別重要的作用。事實上，離心泵占世界泵產(chǎn)量的85%以上，因為它們經(jīng)常用于污水、食品加工、水處理和制造廠，以及化學和石油行業(yè)，用于泵送所有類型的低粘度液體。它們還可以容易地處理含有高比例懸浮固體的液體。

由于可用的泵的配置（如葉片角度和葉片數(shù)）多種多樣，合理的設計是任何設施最重要的要求。全球消耗的總能源的20%用于運行這樣或那樣配置的泵 - 然而，其中三分之二的泵所消耗的能源比所需的多60%。為了保證能源效率和防止設備故障，能夠預測和評估泵在不同運行工況下的性能是非常重要的。這就是計算流體動力學（CFD）工具可以提供幫助的地方。

1）可訪問性：傳統(tǒng)軟件需要安裝在本地昂貴的高性能計算機上，而這些計算機大部分時間都處于空閑狀態(tài)。有了SimScale，所有的計算都是基于云的 - 所需要的只是一個網(wǎng)絡瀏覽器。

2）運營成本：標準商業(yè)模擬軟件包是出了名的昂貴。有了SimScale，可以選擇立即開始免費的Community Plan或Professional Plan的14天試用。

3）專有技術：大多數(shù)現(xiàn)代工具都是為專家和經(jīng)驗豐富的模擬工程師設計的。為了彌合這一知識差距，SimScale提供了一個大型公共項目庫，免費培訓和實時支持聊天。

懸臂式離心泵主要由一個在稱為蝸殼的殼體中旋轉(zhuǎn)的葉輪組成。流體進入葉輪的吸入孔（中心），并通過葉輪葉片之間的空間排出到葉輪和殼體壁之間的空間。當葉輪旋轉(zhuǎn)時，流體的速度呈切向和徑向方向。當流體流過葉輪時，速度和壓力都會增加。由于旋轉(zhuǎn)機械能被傳遞到流體，在葉輪的排出側(cè)，流體的壓力和動能都會上升。在吸入側(cè)，流體被移走，因此會在（葉輪）吸入孔處產(chǎn)生負壓。這種低壓有助于將吸入側(cè)液流再次吸入系統(tǒng)，這一過程循環(huán)往復。

葉輪是離心泵設計中最重要的部分。經(jīng)過多年的分析和研發(fā)工作，已經(jīng)開發(fā)出了成功的葉輪。最佳葉輪的葉片通過設計是向后彎曲的。這些向后彎曲的葉片具有小于90度的葉片角，并且由于其自穩(wěn)定的功耗特性而成為行業(yè)中最優(yōu)選的葉片類型。這意味著，隨著流量的增加，泵的功耗在達到極限之后將趨于穩(wěn)定。

渦輪機械中流動的復雜性主要是由于3D開發(fā)的結(jié)構(gòu)涉及湍流、二次流、不穩(wěn)定等。離心泵的設計過程最初基于經(jīng)驗相關性、模型測試和工程經(jīng)驗的結(jié)合。然而，如今的設計要求對內(nèi)部流動有詳細的了解 -這在CFD的幫助下是可能的。

CFD模擬使離心泵內(nèi)部的流動狀態(tài)可視化成為可能，并提供了有關泵的水力設計的寶貴信息。模擬結(jié)果用于計算和預測離心泵的性能，取代了過去漫長而昂貴的物理實驗。除了縮短整個設計周期外，還節(jié)省了大量的工作。

在我們的案例研究中，我們將使用這個模擬項目作為模板：通過CFD模擬對離心泵設計進行優(yōu)化。

該項目使用穩(wěn)態(tài)多參考系（MRF）方法和k-ω SST湍流模型模擬了一臺典型的離心水泵。通過SIMPLE算法實現(xiàn)了壓力-速度耦合。MRF區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度為157.08 rad/s（1,500 rpm）。本項目研究了：1）出口葉片角和2）葉片數(shù)量對離心水泵性能的影響。使用SimScale對具有三個不同出口葉片角（即13、23和33度）和三個不同葉片數(shù)量（即6、8和10片）的葉輪的性能特性曲線以及局部和全局流量變量進行了數(shù)值預測。

所考慮的離心泵設計入口直徑為150 mm，出口直徑為151.5 mm，葉輪直徑為340 mm。域是使用SimScale平臺上的“快速十六進制網(wǎng)格”進行網(wǎng)格劃分的幾何體。生成的網(wǎng)格由大約450萬個單元組成，如下圖所示。

1）葉片數(shù)量=8

2）k-ω SST湍流模型

3）穩(wěn)態(tài)，不可壓縮流體

4）多參考系（MRF）方法

5）葉輪轉(zhuǎn)速=1,500 rpm

6）入口體積流量=540 m³/h

7）蝸殼出口面 - 壓力出口（0表壓）

1）出口葉片角=33度

2）k-ω SST湍流模型

3）穩(wěn)態(tài)，不可壓縮流體

4）多參考系（MRF）方法

5）葉輪轉(zhuǎn)速=1,500 rpm

6）入口體積流量=540 m³/h

7）蝸殼出口面 - 壓力出口（0表壓）

壓力云圖

從壓力云圖可以看出，泵入口和出口之間的最大壓差230.5 KPa出現(xiàn)在十個葉片的泵上，最小壓差161.04 KPa出現(xiàn)在六個葉片的泵上。

如本案例研究所示，離心泵是一種簡單但必不可少的裝置。看似微小的設計變化，如葉輪出口葉片角或葉片數(shù)量，可能會對泵的性能產(chǎn)生重大的影響。由于可用的離心泵設計配置眾多，對其中每一種進行物理測試或僅憑經(jīng)驗將使設計過程變得不必要地漫長和昂貴。同樣，設計實驗也可以使用數(shù)值分析和模擬進行，并且在幾分鐘或幾小時內(nèi)就能獲得同樣準確的結(jié)果。