義維科技

    當今無論化石燃料發電廠、核能發電廠還是可再生能源發電廠，其現代化旋轉機械設計均面臨諸多挑戰，包括：

• 成本效益、環保意識、安全和功能等方面要求；

• 符合政府相關排放法規；

• 具有快速高效的定制水泵/渦輪及其升級/改裝設計過程；

• 設計工況下性能良好能實現最佳效率點(BEP)、非設計工況下依然穩健有效；

• 不因空化、磨損、侵蝕、振動等原因頻繁停機進行維護或修理。

        前述挑戰使得傳統的方法體系在機械設計-建造-測試-再設計整個周期內不再具有成本效益，因此不再可行。目前，旋轉機械的設計者們正在轉向更先進的設計方法體系，如：計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等應用到虛擬原型設計、優化及故障排除等過程當中。

        這類仿真工具允許設計人員在設計周期的較早階段對機械性能和行為作出準確預測、對多種設計作出相關分析、減少對多個物理原型和昂貴測試的依賴，從而有針對性地進行設計優化，實現最優性能并縮短設計時間和設計成本。

運用 STAR-CCM+ 進行水泵仿真

水泵廣泛應用于化石燃料發電廠、核能發電廠、水力發電廠以及其他一些行業，如：化工業、汽車散熱領域、油氣行業以及工業廢棄物管理等。水泵的一些主要設計挑戰包括流體運動非定常、空蝕、旋轉機械(件)等。STAR-CCM+能夠成功解決這些物理難點，同時使數字設計過程流程化和更加穩健。生成幾何、劃分網格、計算求解、后處理以及優化都可以高效的在STAR-CCM+ 內完成。

STAR-CCM+ 提供的一些功能，如非定常流動求解器、非定?？栈Ｐ汀⑿D計算域剛體運動(RBM)、復雜幾何結構的自動化非結構網格劃分、并行處理能力等，允許設計者以較經濟的方式對多個水泵設計方案進行比較和研究。

STAR-CCM+ 還允許設計人員對設計點和非設計點的水泵性能作出快速預測，從而有效避免空化和侵蝕等產生的破壞作用。

案例研究 1：雙吸泵

客戶委托 MSI 公司對其雙吸泵設計進行分析，論證該水泵是否滿足預期性能要求。為提高空化性能，水泵采用復雜的離心式設計。在泵的頂部設置進口，在泵的中段設置分流裝置以減輕徑向負荷，在泵的兩側設置完全相同的兩個葉輪，逐漸導至渦殼。水流進入水泵后流量等分通過前述兩個葉輪段。MSI 公司運用 STAR-CCM+ 對水泵復雜的物理現象和過程進行模擬，包括 360 度瞬態流動、旋轉幾何結構、非定?？栈F象等。流道因對稱性只計算一半。首先對進口、葉輪和渦殼進行建模。利用 STAR-CCM+ 的自動多面體網格劃分功能對流域空間進行離散，隨后創建單葉片通道網格并根據周期性生成全模型，確保網格的均一性。棱柱層網格單元在表面自動生成以求解邊界層，最終的網格總量為五百萬。圖 1 顯示了流道的幾何結構和網格。

圖1：水泵的流道結構（左）以及 STAR-CCM+ 沿中心平面的計算網格（右）

        STAR-CCM+ 采用分離流求解器，同時結合二階對流差分格式以及 SST K-ω 湍流模型。啟用多相流（VOF）模型捕捉水和水汽之間的交界面，選擇Rayleigh-Plesset 空化模型進行空化模擬?；趨⒖键c給定進口總壓力條件并指定進口和出口的質量流量。旋轉葉輪被交界面包圍，利用剛體運動（RBM），給定包圍葉輪的域以葉輪的實際轉速。設定非定常時間步長及總時間后對一個完整的葉輪旋轉周期進行模擬，每個時間步長采用 20 布內迭代。模擬過程持續若干個完整的周期，直到殘差監測參數變得穩定，壓力、扭矩、質量流量等變量監測參數呈現出周期性行為為止。

速度云圖（圖 2）顯示葉輪周圍的穩定流場以及分流器附近良好的均勻蝸殼流以及回流區域。由于水泵的軸向尺寸有限，因此在進口和渦殼附近可觀察到一定的回流現象。盡管不希望看到流動不均勻性，但也只能接受，因為有限的軸向空間已經無法提供均勻流所需的更大軸向空間。圖 3 顯示了葉輪汽相體積分數云圖，其中，藍色區域代表水，紅色區域代表水汽。圖中可以看出進口壓力較高時(175kPa)空化作用極其微小，隨著進口總壓力減小，葉輪空化現象開始變得明顯。

圖2：中心平面處以卷積方式顯示的速度云圖（LIC）

圖3：葉輪上的汽相體積分數云圖顯示處于不同進口總壓力工況下的空化情況

圖 4 顯示了制造商試驗測得的空化余量(NPSH)和 STAR-CCM+ 在不同質量流率下計算得到的空化余量的對比圖。STAR-CCM+ 能夠精確捕捉較低 NPSH 和較低進水壓力條件下水泵性能的拐點并且能夠與實驗數據進行準確比較。利用 STAR-CCM+，MSI 公司能夠在 70%、110% 和 150% 的質量流速條件下生成 NPSH 變化數值曲線。根據 STAR-CCM+ 的模擬結果，客戶可以做出明確的水泵設計和方案決定，包括空化性能。

圖4：STAR-CCM+ 數據和測試數據之間的空化拐點曲線對比，顯示了在不同的三種流速工況下，空化余量（NPSH）與水頭下降的對比關系

案例研究 2：立式防洪泵

        本案例聚焦位于新奧爾良的大型軸流泵，專為在惡劣氣候條件提供持久的性能而設計。這些新設計的立式防洪泵用于在洪水期間將城市中多余的水清除干凈。但防洪泵在運轉期間輸出不穩定且受到非定常力的作用，從而導致共振和振動等問題，為此 MSI 公司受托對水泵作相關設計分析。水泵包括一個大的進口、直徑一米多的葉輪、葉片擴壓器、內軸、由導流葉片支撐的過流葉片以及出口虹吸管等。將水泵的復雜幾何結構導入 STAR-CCM+ 后，利用自動多面體和邊界層網格劃分功能作離散處理。最終生成的計算網格總量共四百萬，精確地捕捉到了多通道及多流道的復雜幾何結構。圖 5 顯示了流道的復雜幾何結構和計算網格。

圖5：立式泵幾何結構（左） 和沿中心平面的計算網格（右）

        STAR-CCM+ 采用分離流求解器，同時結合二階對流差分格式以及可實現的 K-epsilon 湍流模型。選擇標準溫度和壓力條件下的水作為工作流體。分別指定進口的質量流量、出口的靜壓以及圍繞葉輪的計算域的轉速等。運行瞬態模擬，完成一個完整的周期，每個時間步長內使用 20 次內迭代。

        模擬過程持續若干個完整的周期，直到殘差監測參數變得穩定，壓力、扭矩、質量流量等變量監測參數呈現出周期性行為為止。

圖6：中心平面處的以卷積方式顯示的速度云圖（LIC)

        圖 6 顯示了水泵中心線平面的速度云圖。圖中顯示了由過流區域中軸形成的渦流情況。STAR-CCM+ 經過 MSI 公司的充分驗證，因此模擬得到的壓力曲線可取代實驗數據在 LabVIEW 中進行頻率分析。計算域中每個交界面處的壓力在 LabVIEW 中利用快速傅立葉轉換（FFT）頻譜分析法進行處理。在分析中分別捕捉流道中的振蕩頻率，包括葉片通過頻率、葉輪頻率以及二階葉片通過頻率等（見圖 7）。隨后在模態分析中對捕捉到的頻率進行分析，未發現水泵設計存在振動或共振問題。

圖7：STAR-CCM+ 得出的葉輪和擴壓器進口處的相關葉輪頻率

案例研究 3：多級泵

        受客戶委托，MSI 公司對客戶具有非標出口的多級泵作設計性能模擬。該多級離心泵的設計能夠提供較大的總揚程 (TDH)。除了復雜瞬態流、旋轉機械以及非穩定強迫輸出外，水泵同時還涉及復雜的二次流，因此要求模擬工具能夠在分析過程中捕捉所有相關的物理現象和過程。水泵模擬包括水流從進口進入，經過兩個串聯葉輪的兩級，最后通過渦殼出水的整個過程。推力平衡裝置將部分出水重新轉至進口。為增強水泵的空化和水力性能，水泵的一級流道和二級流道設計極其復雜。

        多級泵的流域包括進口、出口、一級和二級流道、靜止區和旋轉區之間的交界面等。圖 8 顯示了水泵的幾何結構和計算網格。模擬中共有八個連接靜止區和旋轉區的一級交界面和二級交界面。利用 STAR-CCM+ 求解環繞葉輪周圍的水流、每個組件在導流罩前后的空化區以及連接進口至出口的通道內的流動情況。

圖8：STAR-CCM+ 得出的水泵結構（左） 和計算網格（右）

        圖 9 顯示了水泵在低流量和高流量條件下的水流流線對比。在低流速條件下，渦殼左側呈現出與其右側不同的流動特性，即左側存在非對稱扼流現象。在高流速條件下，兩側水流呈旋渦狀但較均勻。

        圖 10 顯示了不同流率條件下水泵的總水頭?？蛻魪哪M過程中觀察到總水頭隨著流率自高向低變化而趨平。從 STAR-CCM+ 模擬結果可以看出不均勻流是水泵在低流率條件下性能惡化的主要原因。分析和觀察為客戶提供了重新設計水泵的科學依據，使其在低流率條件下能夠產生適當的水頭。

圖 9：泵出口處的流線，按流速大小著色處理：左圖 359 加侖/分，右圖 1110 加侖/分

文章來源：義維科技