0.摘要

本文通過(guò)安世亞太自主開(kāi)發(fā)的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid對(duì)水泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，得到水泵在不同流量下的特性值。通過(guò)這個(gè)計(jì)算分析，展示PERA SIM Fluid的相關(guān)功能，希望對(duì)其他工程師有所幫助。

關(guān)鍵詞：水泵；MRF；揚(yáng)程特性曲線；效率特性曲線

1.引言

水泵作為一種廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用領(lǐng)域的流體輸送設(shè)備，其功能和應(yīng)用在現(xiàn)代社會(huì)中顯得尤為關(guān)鍵。水泵的主要功能是通過(guò)機(jī)械能的作用，將低處的水或其他液體提升至高處，或增加其壓力，以滿足灌溉、供水、排水、制冷、加熱等不同場(chǎng)合的需求。其應(yīng)用不僅限于日常生活，更深入到能源、化工、環(huán)保等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，水泵在運(yùn)行過(guò)程中受到諸多因素的影響，如流體的物性、管道布置、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程等，這些因素直接關(guān)系到水泵的性能和效率。因此，對(duì)水泵特性進(jìn)行深入研究，不僅有助于優(yōu)化水泵設(shè)計(jì)、提高運(yùn)行效率，而且對(duì)于節(jié)能減排、推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

在水泵的設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程中，仿真技術(shù)的重要性不可忽視。通過(guò)仿真模擬，研究人員可以在不實(shí)際制造或安裝水泵的情況下，預(yù)測(cè)其性能表現(xiàn)，從而大幅縮短研發(fā)周期，減少成本投入。仿真可以模擬各種工作條件和流體特性，分析水泵在不同場(chǎng)景下的效率、穩(wěn)定性和可靠性。此外，仿真還有助于優(yōu)化水泵設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)和模型，實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。在評(píng)估水泵的節(jié)能潛力和環(huán)境影響方面，仿真技術(shù)同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，仿真不僅為水泵研究提供了有效的分析工具，更為水泵技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用提供了有力支撐。

本文通過(guò)通用流體分析軟件PERA SIM Fluid對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，展示PERA SIM Fluid實(shí)現(xiàn)水泵特性研究的方法。

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2.離心泵結(jié)構(gòu)與研究方法

2.1 模型

結(jié)構(gòu)上離心泵由葉輪、泵殼、泵軸、軸承、密封環(huán)、填料函等部件構(gòu)成，在流動(dòng)分析的時(shí)候，并不需要其中固體部分，而需要構(gòu)建泵內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域，本案例所提供的模型如圖 1所示，模型中已經(jīng)構(gòu)建了分析所需的流場(chǎng)區(qū)域，并將分析所不需要的固體區(qū)域移除。

圖 1 離心泵模型

2.2 計(jì)算工況

本次計(jì)算3D離心水泵在不同工況下的流場(chǎng)狀態(tài)，計(jì)算域分為兩個(gè)區(qū)域：葉輪轉(zhuǎn)子區(qū)域和靜止蝸殼區(qū)域。葉輪總共包含 6 個(gè)葉片，繞 z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為1450RPM。泵內(nèi)流體介質(zhì)為水，額定工況下進(jìn)口流量為77.8kg/s，蝸殼出口壓力為一個(gè)大氣壓。水泵內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)為湍流流動(dòng)。

為測(cè)定水泵的流量揚(yáng)程特性曲線，將水泵在不同進(jìn)口流量下進(jìn)行計(jì)算，并與某主流流體仿真軟件進(jìn)行對(duì)比。

3.仿真設(shè)置流程

3.1 模型建立及簡(jiǎn)化

1) 打開(kāi)PERA SIM Fluid 2024R1，在工作目錄下新建項(xiàng)目【Pump】，將準(zhǔn)備地好的離心水泵幾何文件“Pump.ppcf”導(dǎo)入；

圖 2 幾何導(dǎo)入窗口

圖 3 導(dǎo)入后的離心水泵幾何模型

2) 在視圖區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)幾何至合適位置，通過(guò)ctrl鍵多選，右鍵選擇【隱藏對(duì)象】；

圖 4 選中幾何特征后右鍵隱藏

3) 在 Ribbon 菜單上選擇【幾何】 →【面編輯】 →【創(chuàng)建】，激活幾何面創(chuàng)建功能。隨后在視圖區(qū)通過(guò)ctrl多選圓弧線，點(diǎn)擊【創(chuàng)建】，構(gòu)建出圓面；

圖 5 創(chuàng)建面屬性面板

圖 6 創(chuàng)建圓面后效果

4) 再次使用【隱藏對(duì)象】功能，隱藏蝸殼出口段（直管）側(cè)壁兩個(gè)面，可查看到蝸殼出口位置存在兩個(gè)重疊面，效果如圖 7所示，隨后在Ribbon 菜單上選擇【幾何】 →【其他】 →【刪除】，激活幾何刪除功能，依次選中，將該處的兩個(gè)重疊面都刪除；

圖 7 隱藏面后示意圖

圖 8 幾何刪除屬性面板

圖 9 最終刪除后效果

5) 打開(kāi)【幾何】 →【快速修復(fù)】 面板，保持默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊【修復(fù)】按鈕。如下圖所示：

圖 10 快速修復(fù)設(shè)置

6) 執(zhí)行【幾何】 →【修復(fù)】 →【識(shí)別體】功能，軟件會(huì)基于面自動(dòng)識(shí)別出對(duì)應(yīng)的體區(qū)域。體區(qū)域識(shí)別后，模型樹(shù)會(huì)自動(dòng)生成“Volume1”、“Volume2”和 “Volume3”三個(gè)節(jié)點(diǎn)，如下圖所示：

圖 11 識(shí)別體后的區(qū)域示意

7) 在模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)中點(diǎn)擊相應(yīng)的體節(jié)點(diǎn)，可獲得視圖區(qū)幾何體高亮。在節(jié)點(diǎn)“Volume1”上右鍵單擊重命名，將“Volume1”修改為“volute”，同理將“Volume2”“Volume3”分別命名為“rotor”和“inletpipe”；在模型樹(shù)選中“Share_fluid”幾何邊界，右鍵選擇【重命名】，在彈出屬性面板中將組名稱改為“Share_rotorin”，重命名后將同時(shí)修改另一個(gè)組與之匹配的共享面名稱，如下圖所示：

圖 12 重命名后的模型樹(shù)狀態(tài)

8) Ribbon功能區(qū)中切換到【網(wǎng)格】功能，【網(wǎng)格】中先進(jìn)行【全局網(wǎng)格】設(shè)置。設(shè)置最大尺寸0.008，最小尺寸0.002，點(diǎn)擊【應(yīng)用】；

圖 13 全局網(wǎng)格控制基本設(shè)置

9) 在【網(wǎng)格】功能中進(jìn)行【邊界層】設(shè)置，需要對(duì)壁面處添加邊界層；設(shè)置“inletwall”“blades” “hub”“Share_rotorout”“shroud”“volute_wall”面第一層層高0.001m，共計(jì)5層；

圖 14 邊界層的定義

10) 在【網(wǎng)格】功能中，勾選【邊界層】和【多面體】，選擇進(jìn)行【基于體】生成體網(wǎng)格。生成網(wǎng)格216989個(gè)多面體網(wǎng)格。通過(guò)【工具】下的【網(wǎng)格切平面】功能，可以進(jìn)行網(wǎng)格剖視查看。通過(guò)【網(wǎng)格】功能下的【質(zhì)量】功能，可以查看網(wǎng)格質(zhì)量分布。

圖 15 生成的體網(wǎng)格

圖 16 網(wǎng)格切面

圖 17 網(wǎng)格質(zhì)量查看

3.2 求解設(shè)置

1) 模型樹(shù)區(qū)域由【網(wǎng)格】模塊切換到【分析】模塊下，進(jìn)行求解條件的設(shè)置。

圖 18 分析模塊

2) 在【模型】中【粘度】模型里，選擇模型為SST kw模型，壁面函數(shù)選擇混合壁面函數(shù)。

圖 19 粘度模型的設(shè)置

3) Ribbon功能區(qū)中，切換到【設(shè)置】功能下，點(diǎn)開(kāi)【材料庫(kù)】，將材料庫(kù)中的液態(tài)水復(fù)制到材料中，點(diǎn)開(kāi)模型樹(shù)中的【材料】節(jié)點(diǎn)，可以看到液態(tài)水已經(jīng)在材料中了。

圖 20 添加材料

4) 點(diǎn)開(kāi)【計(jì)算域】節(jié)點(diǎn)中的【流體】節(jié)點(diǎn)，雙擊“rotor”節(jié)點(diǎn)，彈出“rotor”域設(shè)置面板，參照下圖所示進(jìn)行設(shè)置，需要勾選【運(yùn)動(dòng)參考系】，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為1450轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸為z軸。

圖 21 設(shè)置計(jì)算域

5) 點(diǎn)開(kāi)【邊界條件】節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊“inlet（壁面） ”節(jié)點(diǎn)，選擇【類型】 →【質(zhì)量流量入口】，雙擊“inlet（質(zhì)量流量入口） ”節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)質(zhì)量流量入口屬性設(shè)置界面，設(shè)置【質(zhì)量流率】 為 77.8（kg/s），其余設(shè)置保持默認(rèn)。右鍵單擊“outlet（壁面） ”節(jié)點(diǎn)，選擇【類型】 →【壓力出口】，雙擊“outlet（壓力出口） ”節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)壓力出口屬性設(shè)置界面， 設(shè)置【湍流】→【定義方式】為【強(qiáng)度和粘性比】。

圖 22 邊界條件的定義

6) 雙擊【求解】節(jié)點(diǎn)下的【方法】節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)求解方法設(shè)置屬性頁(yè)，設(shè)置空間離散動(dòng)量格式為【二階迎風(fēng)格式】，湍流格式為【一階迎風(fēng)格式】，壓力格式為【二階格式】，其余設(shè)置為默認(rèn)，點(diǎn)擊【應(yīng)用】按鈕確認(rèn)設(shè)置。

圖 23 求解方法的設(shè)置

7) 雙擊【求解】節(jié)點(diǎn)下的【控制】節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)方程求解控制設(shè)置屬性頁(yè)，保持默認(rèn)設(shè)置；

8) 在【求解】節(jié)點(diǎn)下的【監(jiān)控】節(jié)點(diǎn)中，新建監(jiān)測(cè)控制。將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)名稱命名為“葉片扭矩”，邊界列表中選擇【blade】邊界，下方僅勾選【力矩】選項(xiàng)，其余保持默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊【創(chuàng)建】按鈕新建監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

圖 24 點(diǎn)速度監(jiān)控

9) 雙擊【求解】節(jié)點(diǎn)下的【初始化】節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)求解初始化設(shè)置屬性頁(yè)，保持默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊【應(yīng)用】按鈕確認(rèn)設(shè)置；

10) 雙擊【求解】節(jié)點(diǎn)下的【計(jì)算】節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)計(jì)算設(shè)置屬性頁(yè)，設(shè)置【并行選項(xiàng)】→【本地】→【核數(shù)】為 4，【迭代選項(xiàng)】→【迭代步數(shù)】 為 500，其余保持默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊【應(yīng)用】按鈕確認(rèn)設(shè)置。

圖 25 計(jì)算設(shè)置

4.計(jì)算結(jié)果分析

PERA SIM Fluid后處理包括點(diǎn)數(shù)據(jù)提取，線、面、分割區(qū)域的云圖、矢量圖、等值線/等值面、動(dòng)畫(huà)、二維數(shù)據(jù)表/曲線、用戶自定義變量等。這里僅展示部分功能。

左側(cè)模型樹(shù)上方切換到【結(jié)果】標(biāo)簽頁(yè)下，Ribbon功能區(qū)切換到【后處理】功能中，可以進(jìn)行相關(guān)的后處理操作，下面展示部分后處理計(jì)算結(jié)果。

圖 26 壓力分布圖

圖 27 葉輪表面壓力

圖 28 跡線圖

圖 29 截面x=0處速度云圖和壓力云圖

經(jīng)過(guò)多個(gè)工況的計(jì)算，繪制出該離心水泵的揚(yáng)程特性曲線和效率特性曲線，并與某主流流體仿真軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果均能夠很好地吻合，計(jì)算偏差均在2%以下。

圖 30 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖 31 流量揚(yáng)程曲線對(duì)比圖

圖 32 流量效率曲線對(duì)比圖

5.結(jié)論

本文利用PERA SIM Fluid流體仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了離心水泵的流場(chǎng)分析。完成模型導(dǎo)入、幾何修復(fù)、網(wǎng)格劃分、邊界條件以及求解參數(shù)等設(shè)置處理后，進(jìn)行了求解，得到了離心水泵的流場(chǎng)速度、壓力結(jié)果并與某主流流體仿真軟件進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)本案例可以看出，PERA SIM Fluid流體仿真軟件能夠處理完整的流體仿真。

1. 從幾何層面上來(lái)講，軟件支持多種外部模型類型的導(dǎo)入，并對(duì)模型進(jìn)行快速地修復(fù)；

2. 從網(wǎng)格層面，軟件支持局部網(wǎng)格控制、全局網(wǎng)格控制，邊界層網(wǎng)格劃分以及多面體體網(wǎng)格生成；

3. 從材料和粘度模型來(lái)講，軟件提供了材料庫(kù)，提供了多種常用材料的快速導(dǎo)入；并且提供了多種湍流模型來(lái)適應(yīng)多種不同的工況的計(jì)算；

4. 從計(jì)算域功能來(lái)看，軟件支持MRF多參考系來(lái)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械、部件進(jìn)行分析；

5. 從邊界條件層面來(lái)講，軟件支持壓力、流量、速度等多種載荷類型，支持多種壁面邊界條件以及流體交界面的定義；

6. 從后處理層面來(lái)看，軟件可以查看計(jì)算的速度、壓力等結(jié)果云圖以及跡線圖，也支持查看特定截面的云圖展示，同時(shí)支持特定曲線上的流動(dòng)變量提取等功能。

本例僅能展示PERA SIM Fluid流體分析軟件的部分功能，還有很多功能有待感興趣的工程師進(jìn)一步地嘗試開(kāi)發(fā)。

作者：安世亞太流體高級(jí)工程師 陳瑞