水泵設計
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-02
水泵設計的視頻教程
電動汽車電子水泵水力設計仿真
整體流程覆蓋理論計算、軟件建模、流體域處理、多工具仿真校核，形成一套完整的電動汽車電子水泵水力開發方案，兼顧設計精度與工程實用性。
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水泵設計的實例教程
天下武功，唯快不破，快速高效對于企業來講依然是攻城略地的利器，在水泵行業，水泵的水力設計和新產品的優化升級對任何水泵廠家都是頭疼的事情，因為傳統的水泵優化設計，都要從木模圖轉化為三維，再根據水泵的三維造型進行調整，劃分網格，進行cfd計算，根據cfd計算結果進行反復的調整，具體步驟如圖1所示：
圖1 水泵優化設計流程
圖1中的優化迭代如果利用人工進行設計的話，會耗費大量的時間，如果能利用程序，進行快速的迭代優化，會節省大量的時間，實現水泵產品的快速優化設計。為此我們基于“極坐標”線上智能工業設計系統開發了一款智能化的水泵設計工具，實現水泵的快速優化設計。具體的實現方法如下：
1、 輸入水泵的設計參數；
2、 對后臺自動生成的子午流道，進出口角，葉片厚度等進行細化調整；
3、 對設計好的葉輪進行cfd計算，根據cfd計算結果進行性能優化。
以上所有的調整，只需要點擊鼠標即可快速完成，剩下的留給網站后臺進行計算，工程師只需要在固定的時間查看一下優化結果即可。
圖2設計參數的輸入
圖3 葉片翼型的調整
圖4 蝸殼形狀的調整
圖5 水泵性能的cfd計算
使用水泵設計工具，能大大提高工程師的設計效率，提高廠家對新產品的開發速度，從而占得先機，在快速激烈的市場競爭中立于不敗之地。
展開 在同一個過水斷面上軸面速度均勻分布，這種方法的缺陷是：
n 葉片前方來流速度計算不準確，造成沖角過大或者過小
n 不能調整每個過流斷面的角度
n 無法計算葉輪前后蓋板影響到葉輪流道內部相對流速
n 無法計算流道間的速度分布
n 無法確定哪種葉片設計方案是優的
2、ANSYS水泵設計流程
在Workbench下，對于旋轉機械設計有著一整套的流程：
n 一維設計
首先將流量、揚程、轉速、進出口角度等參數，輸入Workbench平臺下Vista——CPD離心泵一維設計軟件中，得到初始的葉片子午流道形狀和葉片外徑D2，出口寬度b2，效率等參數。
n 三維設計
BladeGen
在Vista cpd下面右鍵create new創建一個新的bladeGen文件，進入到三維設計的模塊。
三維設計模塊中具體操作要如何進行？
TurboGrid網格劃分工具如何使用？
三維CFD分析的詳細步驟是怎樣的？
ANSYS水泵優化流程包括哪幾步？
……
更多步驟分解和實操教程敬請關注下期內容《優化技術在水泵水力設計的應用（下篇）》
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三維設計
BladeGen
在Vista cpd下面右鍵create new創建一個新的bladeGen文件，進入到三維設計的模塊。
三維設計模塊中具體操作要如何進行？
TurboGrid網格劃分工具如何使用？
三維CFD分析的詳細步驟是怎樣的？
ANSYS水泵優化流程包括哪幾步？
……
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優化技術在水泵水力設計的應用（下篇）
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展開 但是初步設計的產品如果通過CFD仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求，往往需要不斷地修改流道形狀、進出口角度、幾何參數等，再通過仿真計算獲得結果。每改變一個參數都要重新在CFD中計算，如此往復，直到產品的性能能夠滿足設計要求，這樣設計者會花費很大的精力在上面。
基于葉輪機械設計-仿真-優化的一體化思路，在ANSYS Workbench平臺上可實現葉輪機械參數化設計、數值分析和優化設計的所有功能，其中一款專業分析軟件——OptiSLang是一款多學科優化、隨機分析、穩健與可靠性優化設計軟件，在真正意義上地進行葉輪機械的快速優化，幫助工程師更高效便捷地進行產品研發設計。
下面對ANSYS軟件水泵水力設計及優化流程做個詳細講解。
ANSYS水泵水力設計流程
1、傳統一維設計流程
傳統的離心泵葉片設計是基于一元設計理論設計方法，通過給定外特性參數以及介質屬性，利用相似換算或者速度系數的理論方法，確定葉輪的主要尺寸b2、D2、β2等參數，做幾次的經驗值修正，然后對葉片進行繪制，葉片繪型方法為方格網保角變換法。
方格網保角變換法的缺陷:
該方法一元設計理論流動是軸對稱的，即每個軸面上的流動均相同。
展開 《優化技術在水泵水力設計的應用（上篇）》我們講到，ANSYS水泵設計流程中的三維設計。這次我們接下去講三維設計模塊中的具體操作以及TurboGrid網格劃分工具、三維CFD分析和ANSYS水泵優化流程詳解。
三維設計
BladeGen
在Vista cpd下面右鍵create new創建一個新的bladeGen文件，進入到三維設計的模塊。bladeGen是基于S1和S2兩流面理論，在這里可以對軸面流道進行調整，對不同span下的角度分布和厚度進行調整，得到一個比較好的流動狀態下的葉片形狀。
Vista TF
Vista TF是二維通流截面分析，通過快速的二維無粘計算，得到一個速度分布較均勻的軸面流道。
BladeEditor 參數化設計
BladeEditor是嵌入在DesignModeler中的模塊，在Workbench平臺下新建Geometry中啟動,對幾何模型進行參數化設置，可以看到在Blade _Camberline1的屬性中，所有參數化的點前面方框里都出現了D。點擊parameter set，可以看到設置了16個參數。
TurboGrid網格劃分
TurboGrid是一款專門針對葉輪機械的高度自動化六面體網格劃分工具，可以生成高質量的邊界層網格，其中ATM自動劃分方法，提高了計算效率，非常方便。
Workbench窗口中，拖拽TurboGrid組件連接到Geometry中，或鼠標右鍵點擊Geometry選擇Transfer Data To New TurboGrid。
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目前，整車企業仍然是以國外品牌為主，國內汽車水泵的效率在設計工況下通常低于在汽車實際運行中，以城市工況為主，運行轉速較低，無法達到設計工況，其運行效率更低，因此，對現有水泵進行優化設計，以提高水泵效率顯得尤為重要。
優良的泵產品除了需滿足流量、揚程、汽蝕等性能要求外，還要求具備高可靠性、高效率等特點，能夠滿足裝置長周期安全運轉要求。
因此，對水泵特性進行深入研究，不僅有助于優化水泵設計、提高運行效率，而且對于節能減排、推動相關領域的技術進步具有重要意義。
在水泵的設計及優化過程中，仿真技術的重要性不可忽視。通過仿真模擬，研究人員可以在不實際制造或安裝水泵的情況下，預測其性能表現，從而大幅縮短研發周期，減少成本投入。仿真可以模擬各種工作條件和流體特性，分析水泵在不同場景下的效率、穩定性和可靠性。
STAR-CCM+ 提供的一些功能，如非定常流動求解器、非定常空化模型、旋轉計算域剛體運動(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。
01
計算模型和仿真結果
水泵參數
暖風水泵的設計參數如表1所示。
Fidelity CFD 進行離心壓縮機優化，在不降低氣動性能的前提下，成功消除了背板局部的應力集中；
德國通風機廠商 Ruck Ventilatoren GmbH 通過 Fidelity CFD 調整流道和葉型，有效地消除了通風機靜葉尾部存在的流動分離，提高了產品性能，并被稍后的試驗數據所證實；
著名汽車品牌 Renault 通過 Fidelity 平臺優化工具，在明顯提高了設計點水泵效率的同時
該結論為電子水泵的結構設計提供試驗參考。
(4)在高轉速工況下，流體動力噪聲對電子水泵噪聲貢獻量較大;在中低速工況下，電磁噪聲對電子水泵噪聲貢獻量較大，為電子水泵減振降噪提供研究方向。
(5)脈沖帶寬調制引起的電磁噪聲是電子水泵產生電磁噪聲的主要原因，對于電子水泵控制器設計和控制算法改進提供試驗依據。
南水北調的流程，是設計水泵放在哪里，這是體系性的思維，保證它真正能驅動水往上走。過去我們都只注重工具的使用，而忘記了體系的設計。仿真本身是個體系，正向設計也是一個體系，所以說體系思維非常重要。
“舊的水泵已經磨損了，是時候進行更換，我們從OEM合作伙伴那里更換了更有效的新一代設計水泵。
我們有四個主給水泵使用這些新葉輪，在所有正常情況下只使用其中的三個泵。我們可以用三個泵驅動系統，可以在任何情況下使用3個泵。”索涅米說。
這可能會留下大量的備用容量，但也意味著主給水泵功率需求減少了25%，從而節省了電廠系統中使用的大量功率。
下面對ANSYS軟件水泵水力設計及優化流程做個詳細講解。
ANSYS水泵水力設計流程
1、傳統一維設計流程
傳統的離心泵葉片設計是基于一元設計理論設計方法，通過給定外特性參數以及介質屬性，利用相似換算或者速度系數的理論方法，確定葉輪的主要尺寸b2、D2、β2等參數，做幾次的經驗值修正，然后對葉片進行繪制，葉片繪型方法為方格網保角變換法。
在水泵水輪機水力開發方面，我國已經具備700m水頭段、單機容量40萬千瓦的水泵水輪機設計制造能力，以及100m～700m水頭段、單機容量40萬千瓦及以下諸多蓄能機組的設計、制造、安裝、調試及投產。
