在處理渦輪機(jī)械時(shí)，例如壓縮機(jī)，螺旋槳或離心泵之類的泵，最小的設(shè)計(jì)變更就會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)機(jī)器的不同，即使效率提高1％，也可以在機(jī)器的整個(gè)使用壽命期間節(jié)省數(shù)千美元的成本。

渦輪機(jī)在轉(zhuǎn)子和流體之間傳遞能量。這樣，機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成壓力或揚(yáng)程。通常在渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)中，工程師的主要目標(biāo)是效率，可靠性，性能和延長(zhǎng)使用壽命。粗略地講，一臺(tái)機(jī)器應(yīng)在盡可能長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮最佳性能，盡可能有效地回收盡可能多的能量，并且需要的維護(hù)最少。盡管這些因素直接符合制造商，供應(yīng)商和客戶的利益，但由于對(duì)環(huán)境影響的法規(guī)日益嚴(yán)格以及人們對(duì)舒適性的要求不斷提高，因此諸如噪聲污染或排放物排放之類的其他考慮也越來(lái)越重要。所有這些方面都需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算。

渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)我們的案例：采用CFD的離心泵設(shè)計(jì)

以渦輪機(jī)械為例，此案例模擬了常見(jiàn)的泵類型；離心泵。這種類型的泵通過(guò)旋轉(zhuǎn)元件將旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換成流體中的能量。為了最大程度地提高效率，至關(guān)重要的是減少能量損失，以確保機(jī)器可以利用盡可能多的功率。例如，由于摩擦或再循環(huán)，可能會(huì)發(fā)生能量損失。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）使得可以在域內(nèi)任意點(diǎn)以轉(zhuǎn)矩，軸向推力，壓降和流動(dòng)速度的形式量化性能，以識(shí)別可以優(yōu)化效率的區(qū)域。

可能會(huì)影響泵效率的許多設(shè)計(jì)方面，例如機(jī)殼，護(hù)罩，葉輪葉片的數(shù)量或葉片角度等。著眼于葉輪，可以改變其尺寸，例如通過(guò)增加直徑來(lái)進(jìn)行改變，但是這會(huì)增加質(zhì)量，因此導(dǎo)致更大的能量損失。試圖在葉輪尺寸和質(zhì)量之間找到平衡點(diǎn)，對(duì)尋求最大效率的工程師提出了挑戰(zhàn)。

對(duì)于帶有中央葉輪的離心泵設(shè)計(jì)，CFD是分析效率的有益工具。工程師可以使用CFD分析設(shè)計(jì)的性能，輕松更改參數(shù)以查看流量如何受到影響，并創(chuàng)建效率泵曲線。

使用CFD，以最佳速度根據(jù)最佳方案找到最高效的設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單和快捷。模擬設(shè)計(jì)可進(jìn)行流體流動(dòng)分析，而無(wú)需進(jìn)行物理原型制作，這會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和成本。

仿真設(shè)置

通過(guò)使用不可壓縮的穩(wěn)態(tài)分析和K-Omega SST湍流模型來(lái)建立仿真。這種類型的分析功能強(qiáng)大，非常適合旋轉(zhuǎn)組件的應(yīng)用。在某些泵可能用于油，污水，食品和飲料等物質(zhì)的地方，該泵將用于水，因此選擇的流體類型為20°C的水。

對(duì)于此項(xiàng)目，幾何體被導(dǎo)入為三個(gè)體積。葉輪容積，旋轉(zhuǎn)區(qū)域容積和流體流量。葉輪本身在不斷旋轉(zhuǎn)，因此可以認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的部分。因此，包括了旋轉(zhuǎn)區(qū)域的額外體積，并應(yīng)用了多參考框架方法（MRF）。

MRF方法是一種簡(jiǎn)單且計(jì)算量較少的方法，無(wú)需旋轉(zhuǎn)仿真中的幾何圖形即可分析旋轉(zhuǎn)元件的行為。它提供了在某個(gè)時(shí)刻瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的可靠近似值。為了進(jìn)行該分析，將旋轉(zhuǎn)區(qū)域的角旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為350rad / s。入口以0.004 m3 / s的體積流速輸入，該參數(shù)可以很容易地更改以模擬并行運(yùn)行中的不同操作條件。出口面的壓力設(shè)置為0 Pa，可以與入口面一起對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，以獲取平均結(jié)果和積分結(jié)果。

結(jié)果

CFD分析的結(jié)果揭示了設(shè)計(jì)優(yōu)化的許多機(jī)會(huì)。特別是，速度和壓力的某些變化表明能量損失的區(qū)域。該分析的流速模式顯示了一些能量損失的關(guān)鍵區(qū)域。流速明顯地降低了流過(guò)截水的速度，并且在葉輪的孔眼周圍發(fā)生了再循環(huán)。這種再循環(huán)的流體不會(huì)影響泵的性能，因此應(yīng)進(jìn)行調(diào)整以恢復(fù)這種損失的能量，例如改變罩的幾何形狀。

當(dāng)流體進(jìn)入泵的螺旋蝸殼時(shí)，它轉(zhuǎn)化為壓力能。在理想的設(shè)計(jì)中，在該區(qū)域經(jīng)歷的壓力增加是平穩(wěn)且逐漸的。但是，在此設(shè)計(jì)的最初階段，螺旋蝸殼開(kāi)始時(shí)速度突然降低。這肯定會(huì)對(duì)泵的效率產(chǎn)生負(fù)面影響，應(yīng)予以檢查。

仔細(xì)觀察粒子軌跡模擬，可以在泵的入口處看到旋渦，這是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，它消耗能量而不影響功率輸出。在這種情況下，葉輪旋轉(zhuǎn)會(huì)在進(jìn)口處引起渦旋。為了限制這種影響，工程師可以決定在泵殼中包括散熱片，以創(chuàng)建更有效的設(shè)計(jì)。

等值面結(jié)果揭示了用于性能優(yōu)化的寶貴見(jiàn)解。葉輪葉片拐角處的壓力極低，靠近眼睛，這表明存在泵氣蝕的危險(xiǎn)。泵的氣穴現(xiàn)象不僅浪費(fèi)能源，而且還會(huì)造成葉輪及周圍部件的嚴(yán)重?fù)p壞和過(guò)早損壞。在這種情況下，由于沖擊波，過(guò)多的噪音也會(huì)成為問(wèn)題。

離心泵分析結(jié)論

該仿真演示了CFD在識(shí)別設(shè)計(jì)中對(duì)效率產(chǎn)生負(fù)面影響的區(qū)域方面的有用性。使用這樣的結(jié)果，工程師可以從他們的Web瀏覽器的舒適性中做出明智的設(shè)計(jì)決策，以優(yōu)化渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)，以提高整體性能，可靠性和價(jià)值。