諸多關鍵工業過程的發展與進步始終與泵送設備的改進密切相關。離心泵因其適合處理高流量，因此發揮著特別重要的作用。

事實上，離心泵占世界泵產量的85%以上，通常應用于污水處理、食品加工、水處理和制造廠、及化工和石油工業，用于泵送所有類型的低粘度流體。它們還可以輕松處理含有高比例懸浮固體的液體。

由于存在多種可用的泵配置，對于任何設施來說恰當的設計都是至為重要。全球總能耗的20%都被用于運行這臺或那臺泵，而其中三分之二的泵的能耗超出所需能源的60%。

為了確保能效并防止設備故障，對泵在不同運行條件下的性能進行預測和評估非常重要。這就是計算流體動力學（CFD）工具能發揮作用之所在。

為什么要注重離心泵的仿真

任何實物產品的成本和性能通常都在設計過程的早期即已確定。開始探索設計空間并定義產品概念的階段，是做出最具影響力的設計決策的階段。此后各階段對于生產成本的影響要緩和得多。

仿真是在早期產品開發階段發揮基礎作用的工具之一，它使工程師能夠在產品開發流程的早期做出更為明智的設計決策，對于最終產品，這意味著更低的生產成本、更高效的能源消耗、更低的故障風險等。

為什么要選用SimScale進行離心泵的設計？

為什么并非所有的設計師都在使用仿真軟件呢？當前存在的一些障礙阻礙了工程師和設計師更廣泛地采用仿真軟件，SimScale則通過以下方法破解了這一難題。

可訪問性：傳統軟件需要安裝在昂貴的本地高性能計算機上，而這些計算機大部分時間處于空閑狀態。有了SimScale，所有的計算可基于云操作，只需要一個web瀏覽器即可。

運營成本：標準的商業仿真軟件包的價格之昂貴眾所周知。有了SimScale，就可以選擇免費社區計劃或14天專業計劃試用立即開始仿真設計。

專業訣竅：大多數現代工具都是為專家和經驗豐富的仿真工程師而設計。為了彌合這一知識鴻溝，SimScale提供了一個大型公共項目庫、免費培訓和實時支持聊天功能。

離心泵的制造問題

離心泵的剖視圖

離心泵主要由一個在被稱為蝸殼的殼體中旋轉的葉輪組成。流體進入葉輪的孔眼（中心），然后通過葉輪葉片之間的空間，流出到葉輪和殼體壁之間的空間。當葉輪旋轉時，流體元件的速度分為切向和徑向。流體流經葉輪時，速度和壓力都會增加。

由于旋轉機械能被轉移到流體上，在葉輪的排出側，水的壓力和動能都將升高。而在吸入側，水被不斷排離，因此會在孔眼處產生負壓。這一低壓有助于將淡水流再次吸入系統，而這一過程會持續進行。

葉輪是離心泵設計中最重要的部分。經過多年的分析和開發工作，人們已開發出成功的葉輪。最佳葉輪的輪葉（葉片）被設計為向后彎曲。這些后彎葉片的葉片角度小于90度，由于其自穩定功耗特性，成為行業中最首選的葉片類型。這意味著隨著流速的增加，泵的功耗在達到極限后會趨于穩定。

離心泵設計優化研究

葉輪機械中的流體非常復雜，主要應歸因于三維開發結構涉及湍流、二次流、失穩等。離心泵設計過程最初是基于經驗關聯、模型試驗和工程經驗進行的。然而，現在的設計要求對內部流動有深刻的了解，有了CFD的幫助，有望實現這一目標。

CFD仿真有望可視化離心泵內部的流動條件，并可提供有價值的泵水力設計信息。仿真結果被用于計算和預測離心泵的性能，取代了過去費時費錢的物理實驗。除了縮短整個設計周期外，還節省了大量的工作。

離心泵項目概述

本文的案例研究將使用CFD優化離心泵設計作為仿真項目的模板。

本項目使用穩態多重參考系（MRF）法和k-omega SST湍流模型來仿真常規的離心水泵。通過SIMPLE算法進行壓力-速度耦合。MRF區域的旋轉速度為157.08 rad/s（1500 rpm）。

本項目涉及（1）出口葉片角度，和（2）葉片數量對離心水泵性能的影響。利用SimScale，對具有三種不同出口葉片角度（13、23和33度）和三種不同葉片數（6、8和10）的葉輪的性能特性曲線、以及局部和全局流量變量進行數值預測。

所考慮的離心泵設計入口直徑為150mm，出口直徑為151.5mm，葉輪直徑為340mm。其流體域使用了SimScale平臺上的‘snappy hex mesh’進行網格劃分出的幾何結構。生成的網格由大約450萬個單元組成，如下圖所示。

（1）出口葉片角度變化的影響

流量參數 ? 葉片數量：8 ? K-Omega SST湍流模型 ? 穩態、不可壓縮流 ? 多重參考系（MRF）法 ? 葉輪轉速：1500 rpm ? 入口體積流量：540立方米/小時 ? 蝸殼出口面 - 壓力出口（0表壓）

壓力等值線結果表明，葉片出口角度為33度的泵，其進出口之間的壓差最大（208.4 KPa），13度時壓差最小（116.6 KPa）,且泵出口設置為定值壓力出口，0表壓邊界條件。

（2）葉片數變化的影響

流量參數 ? 出口葉片角度：33度 ? K-Omega SST湍流模型 ? 穩態、不可壓縮流 ? 多重參考系（MRF）法 ? 葉輪轉速：1500 rpm ? 入口體積流量：540立方米/小時 ? 蝸殼出口面 - 壓力出口（0表壓）

從壓力等值線結果可以看出，十葉片泵的進出口間的壓差最大（230.5 KPa），六葉片泵的壓差最小（161.04 KPa）。

最佳效率點

最佳效率點（BEP）是指泵在給定葉輪直徑下以最高或最佳效率運行時的流量。該泵的BEP位于432?/hr這一位置。此外，八葉片泵和十葉片泵的最大效率分別為60.5%和62.04%。

最佳效率點處的壓頭

由于BEP發生在432個單位（?/hr）的流量下，因此該流量也與泵曲線相交，分別等于26.65米和28.33米的水頭（各對應八葉片泵和十葉片泵）。

總結

如本案例研究所示，離心泵是一種簡單但必不可少的設備。看似微小的設計變化，如出口葉片角度或葉片數量，可能會對泵的性能產生重大影響。

由于離心泵設計配置眾多，對每種配置進行物理測試或僅依靠經驗，將使設計過程變得不必要的漫長且昂貴。同樣的設計實驗可以通過數值分析和仿真進行，在幾分鐘或幾小時內即可獲得同樣精確的結果。

這只是CFD工具幫助工程師評估其泵送設備設計的一個例子。SimScale公共項目庫中有多種仿真模板可供選擇，涵蓋工業設備和機械、商業和工業風扇、閥門等不同設計領域。