水泵設計的案例
快速便捷的水泵優化設計工具
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 優化技術在水泵水力設計的應用（上篇）
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）》
展開 優化技術在水泵水力設計的應用（上）
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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 優化技術在水泵水力設計的應用
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。
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優化技術在水泵水力設計的應用（下篇）
《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。
展開 優化技術在水泵水力設計的應用（下）
作者：謝文麗 上海安世亞太流體應用工程師
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
本文共計1240字，閱讀時間預計4分鐘
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
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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。
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。
展開 水泵葉片形狀優化設計
參數（葉片的內外側高度，內外側的半徑），使得水泵的總壓比最大。采用拉丁方采樣方法，利用MOGA和RSM響應面法得到滿意的優解。
分享 | 發動機自適應水泵系統設計
2.2 繼電器輸出模塊
本設計采用車用75 A 繼電器模塊作為控制開關，以水溫信號為基礎實現對電磁離合器吸合的控制。繼電器的信號輸出電路接在單片機的P2.1 口，在單片機懸空的I/O 口引腳上拉10 kΩ，減少噪聲等的干擾，單片機通過對溫度傳感器采集的數據與系統本身設定溫度進行比較，控制繼電器的吸合，進而控制水泵運轉。
圖2 繼電器信號輸出電路
3 上位機軟件設計
3.1 程序設計
3.1.1 主程序設計
系統主程序主要完成系統初始化，等待系統初始化完成之后，調用溫度采集子程序，對發動機冷卻液溫度進行采集，然后調用開關量控制子程序，對采集到的溫度與設置好的溫度進行對比，輸出開關控制量。具體流程圖如圖3。
圖3 主程序流程框圖
3.1.2 開關量控制流程設計
開關量輸出主要功用是輸出繼電器控制信號，完成電磁離合器的吸合與分離，有效可靠的使執行機構工作，而且不受其他因素的影響。溫度采集電路和繼電器控制電路與RS485 總線相互完全隔離，與整個系統隔離。
3.2 數據通信
軟件設計中硬件系統與上位機數據通信采用中斷方式，其通信協議如下：
1）設定延時時間：$ST01XX!，延時時間設定成功返回：$SV01!，讀取延時時間：$RE01!，讀取延時時間返回：$RE01XX!，其中XX 為十六進制數據。
2）設定啟動溫度：$ST02XX!，設定成功返回：$SV02!，讀取啟動溫度：$RE02!，讀取啟動溫度返回：$RE02XX!。
3）讀取溫度指令：#RD01 ！
展開 怎樣才能使水泵設計工作更愉快？
所幸的是這部分復雜的人工勞動可以通過我們開發的小工具來替代，使得水泵CFD分析變得簡單、高效、有趣。下面，讓我們一起來認識這一款神奇的工具。
葉輪流線生成
1. 打開工具，點擊“葉輪導入”按鍵，將分析的葉輪導入工具中
2. 分別選取葉片、輪轂和輪緣表面（圖中黃色區域）
圖 1 葉輪Shroud面組選擇
圖 2 葉輪Hub面組選擇
圖 3 葉輪Blade面組選擇
3. 最后, 點擊“葉輪流線創建”按鍵，瞬間流線就被創建出來了，同時也可以輸出網格工具（TurboGrid，AutoGrid）可以識別的文件格式（*.curve，*.geomturbo）
圖 4 葉輪流線幾何
圖 5 葉輪blade.curve內容
蝸殼流域與進口流域提取
1. 首先, 點擊“蝸殼導入”按鍵，導入蝸殼幾何
2. 分別選取蝸殼進口圓環面、出口圓環面和頂蓋側圓環面
圖 6 蝸殼進口圓環面組選取
圖 7 蝸殼出口圓環面組選取
圖 8 蝸殼頂蓋圓環面組選取
3. 點擊“蝸殼區域構建”按鍵，這樣，一個封閉的蝸殼流體區域就出來了
圖 9 完整蝸殼流道
4. 接下來，分別對葉輪、頂蓋、密封環進行封閉操作，與生成的蝸殼流道進行布爾運算
圖 10 葉輪外輪廓面選取
圖 11 葉輪區域構建
最終，我們想要的蝸殼流體區域就誕生了！！！
展開 MSI 利用 STAR-CCM+? 進行復雜水泵水力分析
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。
展開 CAESES在泵設計優化中的應用
結合CFD技術的幾何形狀優化已經普遍應用于水泵的快速、全面設計，對于這類研究，CAESES軟件能夠提供最有效的解決方案。CAESES可以通過自動化的幾何變形、結合CFD的性能評估來在最少的時間里搜尋到最優的設計方案，從而大幅加快工程項目進度。
評估大量設計方案——完全自動化！
水泵設計：在CAESES中實現葉輪的自動變形
CAESES的用戶：
全球業內領先的公司，例如KSB、Ebara、Hitachi、DMW，都已經將CAESES集成到自身的工作流當中，以便為客戶提供最優質的水泵。
基于CFD的幾何形狀優化
CAESES專注于為設計過程提供高魯棒性的可變幾何建模方案，可以完全自主的定義幾何變形的控制規則及變化參數。基于初始設計結果在CAESES中創建模型，這樣在變形過程中可保證100%的魯棒性，并且可搭配仿真工具，進行全自動分析。
對于生成的葉輪幾何，CAESES還可以提供相應的參數化單通道流體域，以便支持全自動的網格劃分。通過預先定義的顏色對各部分進行區分，可以確保在設計研究和優化運行期間，對應的邊界不會發生變化。
用以自動劃分網格的參數化葉輪流體域
高效的參數化定義
用戶可以將所有泵設計的經驗，包括各種約束條件，添加到參數化的CAESES模型中。
展開 
Cooper Standard采用Altair CFD求解器AcuSolve加速新一代水泵研發
Lincoln與Altair團隊合作研發了一種基于AcuSolve的定制化工具，該工具很容易使用，使設計工程師在設計初期實現CFD仿真。
另外，Lincoln發現AcuSolve大大加速了產品仿真的周期。“我以前沒有意識到它有多強大，”他說，“對于一個全新的水泵設計，我下載了40種不同設計，每種設計有4個或5個部件。仿真評估這些設計目前可以在一周內完成，然而使用之 前的CFD軟件需要花費一個月。AcuSolve建模更流程化，求解器收斂得更快并仍能保證精確的結果。我可以建立一組三個流動點并在一個晚上就拿到結果，我可以在我本機上用一個晚上時間完成兩個模型的計算，并且Altair允許我使用我筆記本上所有4個核。我的下個Windows工作站是16核，HyperWorks許可證機制允許我充分使用它的計算性能。”
結論
Lincoln闡明了AcuSolve在水泵設計中的價值，同時會提高歐洲市場電動汽車的乘員舒適性。他研發了一項基于AcuSolve的特殊工具滿足CooperStandard的特定需求。
這個工具是無縫集成于Altair前處理器AcuConsole中的高度流程自動化工具，實現Lincoln在幾天內獲得大量結果。 Lincoln將AcuSolve的仿真結果與實驗流動測試進行了對比，結果吻合很好。“我對比了10到12個數據點，AcuSolve的仿真結果和實驗測試平均僅相差6.3%，”Lincoln說，“這是非常好的精度，而且并沒有偏離整個合理區間很多，因此采用AcuSolve我們有很強的信心。
Lincoln說，遵循實驗修正的分析結果，采用AcuSolve對后續很多的設計進行評估。
展開 離心/混流泵水力設計
葉片設計
設計葉片主要目的在于求出符合流動規律的葉片形狀，本質就是求出流體相對運動流線。
葉片設計的主要步驟如下：
1）繪制軸面流線
2）在各個流面上繪制空間流線，包括方格網保角變換法、扭曲三角形法、逐點計算法等。
3）葉片加厚
完成后，還應當按照一定的標準對葉片繪型的質量進行檢查。
小結
葉輪的設計過程主要分為三個大步驟和若干小步驟，參數較多，步驟繁瑣，在涉及到相互關聯的參數計算時，往往需要重復多次進行試算。而當設計方案需要進行更改時，更牽涉到大量的重復性工作，導致人力成本、時間成本增加。因此泵的CAD技術越來越受到工業界的重視。
目前，已經有多款泵設計軟件問世，比如CFturbo、PCAD、AIPump等。CFturbo具有從軸流泵到離心泵機組的整機設計能力，能夠同步建立三維模型，具有主流CAD、CAE軟件的接口。
PCAD由著名水泵設計專家關醒凡老師開發，使用方便易上手，能夠輸出AutoCAD格式的木模圖，能夠為加工提供圖紙，但對CAE軟件的支持稍顯不足。
AIPump是由南京天洑軟件公司與清華大學水力機械研究所共同研發。除了具有完備的水泵設計功能外，還特別開發了兩大特色功能。
第一個功能是針對已有葉輪的逆向功能，可以將用戶現有的葉輪資料逆向導入軟件，并進行幾何的修改調整。或是將現有的葉輪逆向成為數字化資料，方便設計檔案的管理和調用。
第二個功能是基于S2流面開發的性能預估和優化功能。能夠快速地分析并提供水泵的性能曲線，方便設計人員對初步設計的結果進行反饋調整。
同時，結合優秀的人工智能尋優算法——遺傳算法，AIPump開發了葉輪優化功能。
展開 自主仿真 | 基于PERA SIM的水泵流場仿真分析
0.摘要
本文通過安世亞太自主開發的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid對水泵內流場進行計算分析，得到水泵在不同流量下的特性值。通過這個計算分析，展示PERA SIM Fluid的相關功能，希望對其他工程師有所幫助。
關鍵詞：水泵；MRF；揚程特性曲線；效率特性曲線
1.引言
水泵作為一種廣泛應用于各種工業、農業和民用領域的流體輸送設備，其功能和應用在現代社會中顯得尤為關鍵。水泵的主要功能是通過機械能的作用，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、加熱等不同場合的需求。其應用不僅限于日常生活，更深入到能源、化工、環保等國民經濟的各個領域。然而，水泵在運行過程中受到諸多因素的影響，如流體的物性、管道布置、轉速、揚程等，這些因素直接關系到水泵的性能和效率。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。此外，仿真還有助于優化水泵設計，通過調整參數和模型，實現性能的最優化。在評估水泵的節能潛力和環境影響方面，仿真技術同樣發揮著關鍵作用。因此，仿真不僅為水泵研究提供了有效的分析工具，更為水泵技術的創新和應用提供了有力支撐。
本文通過通用流體分析軟件PERA SIM Fluid對離心泵內流場流動進行仿真分析，展示PERA SIM Fluid實現水泵特性研究的方法。
展開 車用電子水泵噪聲和振動特性試驗分析
摘 要: 設計試驗方案對不同的電子水泵進行NVH試驗，在不同工況下通過數據采集系統對電子水泵的噪聲和振動信號進行記錄和分析。試驗結果表明:電子水泵徑向噪聲明顯大于軸向噪聲;試驗泵的噪聲明顯大于對標泵;在電子水泵的加速過程中，轉速波動是電子水泵產生噪聲和振動突變的主要原因。通過分析電子水泵噪聲階次圖，發現電子水泵在4500Hz頻帶處產生結構共振噪聲;在高轉速工況下，流體動力噪聲對電子水泵的噪聲貢獻量較大;在中低速工況下，電磁噪聲對于電子水泵的噪聲貢獻量較大，脈沖寬度調制是電子水泵產生電磁噪聲的主要原因。研究結論對電子水泵的設計和控制方法提出改進意見，為電子水泵減振降噪提供試驗數據和研究方向。
關鍵詞:電子水泵;噪聲;振動;試驗分析
0 前言
隨著汽車零部件電子化的發展，為滿足發動機在變轉速工況下的熱需求和提升發動機性能及燃料經濟性，電子水泵得到了越來越廣泛的應用。目前，國內研發和生產的電子水泵已經基本滿足發動機在不同運行工況下準確和及時工作的要求，但是當汽車處于自動啟停或后冷卻狀態時，發動機停止工作，電子水泵工作產生的噪聲顯得格外明顯。目前，國內在汽車電子水泵水力設計、測試系統設計和控制器研發等方面已經取得一定的進展，但在噪聲試驗方法和噪聲特性分析等方面研究較少，電子水泵的噪聲和振動產生機制尚不明確。
本文作者在勻速工況和加速工況下對電子水泵的進行NVH(Noise Vibration Harshness)試驗，基于電子水泵在實際工作過程中噪聲和振動的試驗結果，對噪聲和振動產生機制進行分析，為后續減振降噪的方法研究和產品設計奠定基礎。
1 噪聲和振動試驗
1.1 試驗對象
汽車電子水泵屬于離心泵的一種，泵軸直接與電機相連，通過電子控制器或驅動電路控制定子繞組的勵磁來控制電機的運行。
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