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优化离心泵设计效率

发布时间2019-11-04人气:46

在处理涡轮机械时,例如压缩机,螺旋桨或离心泵之类的泵,最小的设计变更就会产生巨大的影响。根据机器的不同,即使效率提高1%,也可以在机器的整个使用寿命期间节省数千美元的成本。

涡轮机在转子和流体之间传递能量。这样,机械能被转换成压力或扬程。通常在涡轮机械设计中,工程师的主要目标是效率,可靠性,性能和延长使用寿命。粗略地讲,一台机器应在尽可能长的时间内发挥最佳性能,尽可能有效地回收尽可能多的能量,并且需要的维护最少。尽管这些因素直接符合制造商,供应商和客户的利益,但由于对环境影响的法规日益严格以及人们对舒适性的要求不断提高,因此诸如噪声污染或排放物排放之类的其他考虑也越来越重要。所有这些方面都需要在设计阶段进行仔细的计算。

涡轮机械设计我们的案例:采用CFD的离心泵设计

以涡轮机械为例,此案例模拟了常见的泵类型;离心泵。这种类型的泵通过旋转元件将旋转能转换成流体中的能量。为了最大程度地提高效率,至关重要的是减少能量损失,以确保机器可以利用尽可能多的功率。例如,由于摩擦或再循环,可能会发生能量损失。计算流体动力学(CFD)使得可以在域内任意点以转矩,轴向推力,压降和流动速度的形式量化性能,以识别可以优化效率的区域。

CFD分析显示涡轮泵设计中的速度和压力流离心泵设计的CFD分析

可能会影响泵效率的许多设计方面,例如机壳,护罩,叶轮叶片的数量或叶片角度等。着眼于叶轮,可以改变其尺寸,例如通过增加直径来进行改变,但是这会增加质量,因此导致更大的能量损失。试图在叶轮尺寸和质量之间找到平衡点,对寻求最大效率的工程师提出了挑战。

对于带有中央叶轮的离心泵设计,CFD是分析效率的有益工具。工程师可以使用CFD分析设计的性能,轻松更改参数以查看流量如何受到影响,并创建效率泵曲线。

泵曲线显示压头和流速效率为每秒350 rad根据仿真结果,您可以轻松生成泵效率曲线。

使用CFD,以最佳速度根据最佳方案找到最高效的设计变得更加简单和快捷。模拟设计可进行流体流动分析,而无需进行物理原型制作,这会浪费时间和成本。

仿真设置

通过使用不可压缩的稳态分析和K-Omega SST湍流模型来建立仿真。这种类型的分析功能强大,非常适合旋转组件的应用。在某些泵可能用于油,污水,食品和饮料等物质的地方,该泵将用于水,因此选择的流体类型为20°C的水。

用于泵设计仿真的三个独立的CAD体积几何为该离心泵模拟输入了三个单独的几何形状。泵的设计,叶轮和旋转区域。

对于此项目,几何体被导入为三个体积。叶轮容积,旋转区域容积和流体流量。叶轮本身在不断旋转,因此可以认为是最具挑战性的部分。因此,包括了旋转区域的额外体积,并应用了多参考框架方法(MRF)。

MRF方法是一种简单且计算量较少的方法,无需旋转仿真中的几何图形即可分析旋转元件的行为。它提供了在某个时刻瞬时旋转运动的可靠近似值。为了进行该分析,将旋转区域的角旋转速度设置为350rad / s。入口以0.004 m3 / s的体积流速输入,该参数可以很容易地更改以模拟并行运行中的不同操作条件。出口面的压力设置为0 Pa,可以与入口面一起对其进行监控,以获取平均结果和积分结果。

结果

CFD分析的结果揭示了设计优化的许多机会。特别是,速度和压力的某些变化表明能量损失的区域。该分析的流速模式显示了一些能量损失的关键区域。流速明显地降低了流过截水的速度,并且在叶轮的孔眼周围发生了再循环。这种再循环的流体不会影响泵的性能,因此应进行调整以恢复这种损失的能量,例如改变罩的几何形状。

涡轮机械泵设计的CFD分析显示高低压CFD结果显示出叶轮尖端处的高压和叶轮孔周围的低压区域。

当流体进入泵的螺旋蜗壳时,它转化为压力能。在理想的设计中,在该区域经历的压力增加是平稳且逐渐的。但是,在此设计的最初阶段,螺旋蜗壳开始时速度突然降低。这肯定会对泵的效率产生负面影响,应予以检查。

微粒痕量分析显示流体进入泵设计的叶轮微粒痕迹显示出当流体进入离心泵的叶轮时产生的涡流。

仔细观察粒子轨迹模拟,可以在泵的入口处看到旋涡,这是一种常见的现象,它消耗能量而不影响功率输出。在这种情况下,叶轮旋转会在进口处引起涡旋。为了限制这种影响,工程师可以决定在泵壳中包括散热片,以创建更有效的设计。

CFD分析中的等值面模拟显示泵气蚀的风险结果表明,最靠近眼睛的叶轮叶片角处的压力极低。这带来了泵气蚀的风险。

等值面结果揭示了用于性能优化的宝贵见解。叶轮叶片拐角处的压力极低,靠近眼睛,这表明存在泵气蚀的危险。泵的气穴现象不仅浪费能源,而且还会造成叶轮及周围部件的严重损坏和过早损坏。在这种情况下,由于冲击波,过多的噪音也会成为问题。

离心泵分析结论

该仿真演示了CFD在识别设计中对效率产生负面影响的区域方面的有用性。使用这样的结果,工程师可以从他们的Web浏览器的舒适性中做出明智的设计决策,以优化涡轮机械设计,以提高整体性能,可靠性和价值。


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