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泵曲线:如何使用评估涡轮机械性能

发布时间2019-11-04人气:70

泵曲线:如何使用SimScale评估涡轮机械性能

离心泵性能曲线是一个工具,示出了如何将泵头部和流量方面以及效率进行。当泵向低压扬程泵送时,泵会产生高流量,而当泵向高压扬程泵送时会产生低流量。读取泵的曲线通常会带来挑战,特别是对于不熟悉泵和涡轮机械的工程师而言。在下面的文章中,我们提供了逐步的概述和一个网络研讨会,描述了含义以及如何使用SimScale从计算流体动力学(CFD)仿真中获得。 

泵曲线什么是泵曲线?

性能曲线通常包括三样东西:效率曲线,压力曲线和功率曲线,它们在分析包含泵的系统时都有其用途和意义。

泵曲线图,设计性能曲线泵性能曲线图

泵曲线效率曲线

效率曲线描述了泵每个工作点的效率。泵的峰值效率将以最小的功率产生最大的功率输出。涡轮机械的效率取决于它是回收能量还是提供能量。在这种情况下,泵正在为流体提供能量,因此效率是系统输出的功率与系统输入的功率之比。

效率泵曲线方程N是效率,Pout是电源,Pin是电源。

泵曲线功率输出和压差曲线

系统的功率是根据流量进行测量的。为了对此进行测量,功率是体积流量乘以系统两端的压差。在从CFD中恢复此信息方面,我们可以监视入口和出口边界处的平均压力以获得压差,然后观察面积积分以计算流量(如果未知)。

泵曲线压力在这种情况下,Q是体积流量,dP是泵两端的压力变化。

泵曲线功率曲线

在这种情况下,功率是驱动机构为维持指定流量所需的泵的轴功率(有时以制动马力或BHP来衡量)。这通常由电动机或发动机提供。进入系统的功率是施加到泵轴上以产生压力差的功率。

旋转功率是通过将绕中心(轴旋转轴)的扭矩或力矩乘以轴的弧度/秒来计算的。

扭矩是使用表面压力从CFD结果获得的。SimScale通过选择感兴趣的面(叶轮)并指定旋转轴和点来自动计算围绕点和轴的转矩扭矩直接从平台上获取,在结果控制下可以作为力和力矩获得。

Tau是扭矩,ω是角速度。 功率Tau是扭矩,ω是角速度。

泵曲线如何读取泵曲线

压头向读者显示在给定的压头下可以保持何种流速,即,如果泵需要从压力为2的储罐向压力为1的储罐供应流量,它可以保持什么流速?这定义了泵必须运行的工作点,并且泵曲线可以定义此条件下所需的效率,流量和功率。可以比较不同的泵曲线,以选择适合当前应用的正确泵。

Dp是压力差,p是边界压力。Dp是压力差,p是边界压力。

压差通常描述为压头(压头是高度),可以通过压力获得。这可能以英尺或米为单位,并且将显示单位。

其中h是水头,rho是密度,g是重力。 压力泵曲线其中h是水头,rho是密度,g是重力。

我们的案例:通过CFD的泵曲线

我们模拟案例的目的是分析泵的设计,并获得有关其运行能力的足够信息,以创建泵曲线特征。通过对泵CAD模型进行CFD评估,我们能够在下面所述的过程中实现这一目标。

模拟设置

CFD仿真使用稳态不可压缩流,湍流模型k-omega SST模型和旋转区域模型。

模拟泵的后处理图像,显示带有CFD的流速流线模拟泵的后处理图像显示了流体速度流线

接下来,使用以十六进制为主导的参数设置网格,并对层,表面,体积和单元格区域进行补充。

用于流体流动仿真的泵CAD设计网格用于流体流动模拟的泵CAD设计网格

对于此模拟,应用了各种固定流速,而不是在不同的压差下进行测试。这为泵曲线产生了更可靠的数据。评估泵产生高压还是低压的最简单方法是将出口压力设置为0帕斯卡(Pa)。压力出口与这种情况无关,因为它是不可压缩的流动模拟。高于0 Pa的任何东西都是高,低于0 Pa的任何东西都是低。

离心泵本质上是叶轮泵,这意味着它的核心包括一个旋转叶轮。为了正确模拟,应该建立一个旋转区域,其中该体积内的任何东西都在“旋转”。在处理内部几何图形时,有时可能很难将该区域完美地适合于主要几何图形。因此,旋转区域向外延伸,以避免出现诸如网眼质量差的问题。在此阶段,重要的是要确保旋转中心准确并等于旋转区域中定义的旋转中心。代替在内部旋转几何图形,应该在壁和流体域上施加旋转力以给出可靠的近似值。在我们的案例研究中,力绕旋转轴以每秒157弧度的速度旋转。

如何读取泵浦曲线:哪些结果相关?

在结果控制中,评估效率时的重点是输入电源的功率与输出电源的功率之比。入口压力与出口压力之间的压差以流量的形式显示了泵推出的功率。这是通过平均面积并定期监控平均压力(例如每10秒)获得的。此CFD模拟在力图中提供了大量数据。查看力图,旋转轴上的压力力矩显示出施加在叶轮上的必要扭矩,以维持给定角速度下的状态。

使用这些关键结果得出泵的特性曲线,可以可靠地读取泵的性能效率。这使您或您的客户能够更好地了解离心泵在涡轮机械应用中的性能,或将其与其他产品或泵设计进行比较。  



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