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通往泵外特性曲线“捷径”,从这个离心泵水力设计仿真流程起步

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9月前浏览3495
导读:随着计算流体力学CFD的发展,泵工程师可以利用Ansys等计算软件模拟和预测泵的性能,进而与试验数据做比较,以此来提高设计的成功率,并且利用先进的工具对性能进行优化设计,这是当前水泵行业的大趋势,新设计的模型先经过CFD的校验,再投入生产往往是可靠的,这也是我们学习CFD的主要目的!
但是很多工程师设计经验充足,却没有接触过CFD模拟,所以可能对这个流程并不熟悉,不知道具体如何下手去得到泵的外特性曲线,当这个流程懂了以后,再去补充细节的内容,才是提高学习兴趣、逐步由浅入深的学习捷径!
近日,我在仿真秀原创视频课程离心泵水力设计及仿真全流程培训课程选取了泵设计中最基础的单级单吸悬臂泵作为案例演示,从二维水力设计到三维建模,再到前处理、网格划分、CFX求解到泵外特性曲线的绘制,完成了一个泵水力设计及仿真全周期的任务,主要目的是先了解和展示这个完整的流程应该是怎样的,后续再根据自身需要去补充中间的知识,比如网格划分等等。

现在离心泵的设计尤其是水力设计已经逐步走向流程化了,我们有专业的设计工具诸如PCAD、CFturbo等,可以快速实现工程应用的水力模型设计这是一大进步!

一、离心泵水力设计与仿真

1、离心泵叶轮扭曲叶片水力设计

给定泵的设计参数后,我们需要先计算叶轮的外形尺寸,比如叶轮外径、叶轮进口直径、叶轮出口宽度等尺寸,然后基于这些参数来设计叶轮的子午面也即叶轮流道,这个流道的设计是至关重要的,对泵的效率和汽蚀性能有重要影响,所以这一步是需要花时间去优化调整的!

学习过咱们CFturbo课程《离心泵水力设计及参数化仿真,从CFturbo旋转机械设计开始》的同学应该知道,不同的流道面积变化曲线对应不同的性能方向,如下图所示:
除了流道外,最重要的就是叶片的设计了,根据比转速的大小,我们可以选择设计成扭曲叶片还是圆柱叶片,对于低比转速的叶轮通常圆柱叶片容易加工且效果更好,扭曲叶片效率高,设计也相对复杂!

2、蜗壳(压水室)水力设计

压水室的设计相对简单,主要把控的是喉部面积,其余断面按照一定规律扩压即可!这里我们用到了网站的一个小计算表格来做水力设计,通过给定喉部面积来推导出其余断面的面积进而自动计算出断面高度,完成了蜗壳水力的快速设计!
最终绘制出压水室的水力图如下所示:

3、水力部件三维建模

有了二维水力图后我们要想完成CFD计算,要先得到三维造型,也即叶轮和泵体内部被流体填充的部分,所以这也是基础操作了,为了方便建模,这里推荐叶轮用CREO建模,蜗壳可以用中望3D来做,不过只要熟悉软件和建模方法,任何软件做起来都很快!

4、CFD前处理

这里用到了SCDM,不仅可以做水力部件的组装,还可以完成流体域的定义以及part的命名,这对后续网格划分咋成巨大的方便!这里还需要注意,进出口延长段一般取4~6倍的管径长度以保证流场均匀性,过短可能导致回流以及不易收敛的问题。
此处演示的案例没有考虑前后盖板的间隙以及平衡腔内的流体,这对轴向力的计算是不准确的!

5、Ansys mesh四面体网格划分

作为与CFX衔接相当完美的mesh模块,无疑是最方便和易学的,入门选手建议先用这个软件来划分网格,先熟悉尺寸的定义以及网格划分的流程,这样在其他软件中也可以很快上手。

6、CFX求解

来到了最终的环节,性能好不好就看这一步的计算结果了,定义计算域的属性,定义边界条件,进行传递数据的Interface面以及其他必要的设置项,对了还要适当监测变量比如流量,进出口压力,扬程,效率,轴向力等等,最终开始了计算。

这里计算域及边界的命名应当规范,以下可供参考:

  
  • JK:(进口段计算域)
  • INLET(进口)
  • JK_YL(进口段和叶轮的配合面)
  • JK_QGB(进口段和前盖板的配合面)
  • WALL_JK(进口段的壁面)
  • CK:(出口段计算域)

  • OUTLET(出口)

  • CK_QGB(出口段和前盖板的配合面)

  • CK_YL(出口段和叶轮的配合面)

  • CK_HGB(出口段和后盖板的配合面)

  • WALL_CK(出口段的壁面)
  • QGB:(前盖板间隙计算域)
  • QGB_JK(前盖板和进口段的配合面)
  • QGB_CK(前盖板和出口段的配合面)
  • QGB_YL(前盖板和叶轮的配合面)
  • WALL_QGB(前盖板的壁面)

  • HGB:(后盖板间隙计算域)
  • HGB_YL(后盖板和叶轮的配合面)
  • HGB_CK(后盖板和出口段的配合面)
  • WALL_HGB(后盖板的壁面)

  • YL:(叶轮计算域)

  • YL_JK(叶轮和进口段的配合面)

  • YL_CK(叶轮和出口段的配合面)

  • YL_QGB(叶轮和前盖板的配合面)

  • YL_HGB(叶轮和后盖板的配合面)

  • WALL_BLADE_YP(叶片)

  • WALL_BLADE_BYP(背叶片)

  • WALL_BLADE(除了叶片和配合面之外的所有壁面)

7、后处理读取计算结果

利用CFD-POST读取计算结果,包括扬程和效率,然后修改工况参数从而计算出泵的全性能外特性曲线

这个流程就走完了!
二、泵水力设计与仿真流程
当你熟悉了这个流程后,不论多复杂的泵型,也就是这样的操作了:

三、我的泵水力设计与仿真培训课程

以上所有内容收录在我新出的视频课程《CFX离心泵水力设计及仿真全流程培训课程》欢迎订阅,加入订阅用户交流群,提供答疑和资料下载服务,后续可以提供不定期加餐服务。
本课程以实际项目培训为主,通过给定设计参数先完成二维水力部分设计并完成出图,然后利用CREO/中望3D等软件实现水力部件的三维建模;而后利用SCDM完成前处理工作,利用经典的CFX求解器对设计水力性能进行验证并绘制离心泵特性曲线。在设计之初先采用低成本方法验证水力设计可行性,降低设计成本。

1、课程大纲如下

《CFX离心泵水力设计及仿真全流程培训课程》

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课程可用于完全没有设计经验或没有三维建模及CFD仿真经验的学生及工程师学习,内容翔实,贯穿了水力设计至CFD验证全流程(其中水力设计部分主要涉及叶轮及蜗壳的水力设计,部分采用了自己编写的辅助小程序,可大幅提高设计时间及准确度)。
2、适合谁看

(1)离心泵工程师

(2)涉及流体专业的学生

(3)在厂工程师

(4)离心泵行业从业者

(5)PCAD/CREO/中望3D软件学习

3、你会得到什么

(1)从0开始了解和学习如何利用PCAD设计离心泵叶轮水力

(2)从0开始了解和学习如何利用辅助程序快速设计蜗壳水力并调整性能

(3)CREO离心泵叶轮三维建模

(4)中望3D离心泵蜗壳水体建模

(5)CFX离心泵性能模拟

(6)CFD-POST离心泵后处理

(7)离心泵全性能模拟并绘制性能曲线

(8)为订阅用户提知VIP群交流,知识圈答疑和课程相关资料,可根据订阅用户群讨论问题酌情免费加餐内容。

4、推荐学习

《CFturbo旋转机械(泵)设计教程15讲》以CFturbo软件作为载体,学习离心泵的水力设计专业知识,包括但不限于离心扭曲叶片、圆柱叶片、蜗壳、轴流泵等的水力设计,将理论与软件操作结合,对基础细小的知识点进行总结。在水力设计的基础上联合Pumplinx或者Ansys做水力的参数化设计,完成从设计到CFD仿真的闭环!

(完)

来源:仿真秀App
FluentCFX旋转机械建筑电子其他软件CFturbo理论试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-08-14
最近编辑:9月前
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