應用智能CFD技術計算離心泵的工作效率

　　【摘 要】運用CFD技術，對離心泵流速、壓力等進行了系統研究，有效地預測了離心泵轉速與流體黏度、壓降和工作效率的關系。因液態膠粘劑大多屬于非牛頓流體，了解膠粘劑的黏度與流速等參數的關系，可以對離心泵的使用提供重要參考。

　　【關鍵詞】離心泵;CFD技術;膠粘劑制備;壓降

　　陳璟; 趙子龍; 陳龍; 周金卿 中國膠粘劑 2021-12-28

　　0 前 言近年來，因環境保護工作的大力推廣，清潔生產日益受到世界各國各行業的極大關注。膠粘劑的制備屬于化工行業清潔生產，要求最大限度地采用先進實用的清潔工藝技術。在膠粘劑制備過程中，往往會用到離心泵，而離心泵的效率與結構有著密切的關系。因液態膠粘劑大多屬于非牛頓流體，了解膠粘劑的黏度與流速等參數的關系，可以對離心泵的使用提供重要參考。為了設計出高效的離心泵，傳統的方法是做試驗，但產品開發過程需要不斷反復，存在設計周期長、樣件制作和測試成本高的問題。計算流體力學(CFD)技術的應用，可以縮短膠粘劑的研發時間。吳賢芳等[1] 為了運用CFD技術預測單流道離心泵性能中的精度，研究了標準k-ε湍流模型、重正化群 k-ε 湍流模型、標準 k-ω 湍流模型和 SST k-ω湍流模型4種湍流模型在單流道離心泵內流計算中的適用性，并分析了泵內的流動，為單流道離心泵CFD性能預測提供參考。王洋等[2] 為提高射流自吸泵效率，設計了9組試驗，運用數值分析軟件及極差分析確定了性能最優參數組合，為同類泵的優化提供了一種較可靠的試驗設計及數據處理方法。這兩篇報道都與農業機械有關，且并未針對膠粘劑原料制備中使用到的離心泵進行深入分析。本文運用 CFD 技術，對離心泵流速、壓力等進行系統研究，有效地預測了黏度和壓降的關系，可提高離心泵設計的合理性，從而大幅縮短產品的開發周期。

　　1 試驗部分

　　1.1 分析數模及分析軟件

　　本文的數模，由SolidWorks軟件中Rotating Impeller 章節的案例提供，使用的分析軟件為 SolidWorks 公司開發的Flow Simulation專業流體分析插件。

　　1.2 項目設計及數值模擬假設

　　一般認為要將流體離心處理，不僅要有合適的旋轉速度，還要對流體的黏度有一定的要求，同時要考慮離心泵的結構。離心泵簡易結構如圖1所示。

　　為了研究膠體黏度對流速等參數的影響，設計了6個CFD項目。使用相同的狹長通道模型，但三種流體不同，項目1和4的流體是水;項目2和5的流體是一種黏度為20 Pa·s的水性膠A;項目3和6的流體是一種黏度為40 Pa·s的水性膠B。為了與真實情況更接近，水性膠A與水性膠B的流動類型設置為“層流”，而水設置為“層流+紊流”，具體如表1所示。

　　1.3 前處理 1.3.1 初始設置及邊界條件

　　6 個項目具有相同的入口和出口設置，均設置入口流量為 0.3 m3 /s，出口設為壓力出口，離心泵所有的內壁都設定為固定的“真實壁面”。通過“檢查模型”顯示狀態正常，分析類型為內部，流體體積為 21 135 cm3 。在“物理特征”里“旋轉”項打勾，類型設為整體旋轉，參考軸為 Z 軸，角速度根據不同的項目，設為1 000或2 000 r/min。

　　1.3.2 網格劃分條件

　　為加速網格劃分，使用自動全局網格設置，“初始網格級別”設為 4 級，設最小縫隙尺寸為 40 mm，勾選“高級通道細化”及“封閉細孔縫”，并設置“待封閉孔的最大高度”為 4 mm。因 6個項目的數模結構都一樣，網格劃分的設置也相同，求解后劃分出 17.5萬流體網格[3-10] 。

　　1.3.3 離心泵工作效率公式

　　工作效率(η)的計算公式，可以借鑒F.M. White 在 1994 年撰寫的《Fluid Mechanics》中的公式，如式(1)所示。此公式可以在軟件內編輯設置好，用于控制計算收斂。 η=|(Po-P)i ×Q|Ω|M| (1)式中：Pi為入口的靜壓(Pa);Po為出口靜壓(Pa); Q為體積流量(m3 /s);Ω為葉片的旋轉角速度(rad/s， 1 rad/s=9.55 r/min);M為葉片的扭矩(N·m)。

　　2 結果與討論 2.1 速度分布云圖

　　6 個 CFD 方案取了上視圖的速度分布云圖對比，結果如圖2所示，灰度代表流速。

　　由圖 2 可知：在 1 000 r/min 時，圖中深色(最上端)代表 30 cm/s 及以上，最深色(最下端)代表 0。通常設想是：(1)水黏度低，應該流速快，水性膠黏度高，應該相對于水的流速慢;(2)水性膠 A 的黏度是水性膠 B 的一半，水性膠 A 的流速應該比水性膠 B快。而分析出的結果，與設想完全不同，可明顯觀察到：(1)水流在中央的流速并不高，顏色比較淡，而水性膠A和水性膠B中央流速反而較高;(2)從顏色上觀察，水性膠 A 與水性膠 B 相比，深色高速區較大。從圖 2還可直觀看到，在 2 000 r/min時，圖中深色(最上端)代表30 cm/s及以上，最深色(最下端)代表 0。可明顯觀察到：(1)水流在中央的流速并不高，顏色比較淡，而水性膠A和水性膠B中央流速反而較高;(2)水流的淺色的中速影響區比水性膠A與水性膠 B 大;(3)從顏色上觀察，水性膠 A 與水性膠 B無太大區別。

　　2.2 靜壓分布云圖

　　6 個 CFD 方案取了上視圖的靜壓分布云圖對比，顏色代表靜壓，結果如圖3所示。

　　由圖3可知：在1 000 r/min時，圖中深色(最上端)代表 101 300.00 Pa 及以上，最深色(最下端)代表 100 300.00 Pa。通常設想是：(1)水黏度低，應該流速快，水性膠黏度高，靜壓大;(2)水性膠A的黏度是水性膠B的一半，水性膠B的靜壓應該比水性膠A高。而分析出的結果，可明顯觀察到：(1)流體為水時，顏色大多是深色，靜壓最低，在中央的流速并不高，顏色比較淡，而水性膠 A 和水性膠 B 中央流速反而較高;(2)從顏色上觀察，水性膠 A 與水性膠 B相比，A 的深色高速區較大;(3)對水，每個葉片的尾部有一小圈相對高壓區，但是對水性膠A，每個葉片的尾部有一小圈相對低壓區，而水性膠B這種現象不明顯。從圖 3中還可以看到，在 2 000 r/min時，圖中深色 代 表 101 300.00 Pa 及 以 上 ，最 深 色 代 表 100 300.00 Pa。可明顯觀察到：(1)流體為水時，顏色基本是最深色，相對 1 000 r/min，幾乎沒有高速區;(2)對于水，每個葉片的尾部不再有一小圈相對高壓區，但是對于水性膠A，每個葉片的尾部有一較大圈相對低壓區，而水性膠B，每個葉片的尾部有一小圈相對低壓區。

　　2.3 葉片表面靜壓分布云圖

　　6個葉片表面的靜壓分布云圖對比，結果如圖4 所示，顏色代表靜壓。

　　由圖 4 可知：在 1 000 r/min 時，圖中深色代表 101 200.00 Pa及以上，最深色代表100 300.00 Pa。通常設想是：(1)水黏度低，應該流速快，水性膠黏度高，靜壓大;(2)水性膠A的黏度是水性膠B的一半，水性膠B的靜壓應該比水性膠A高。而分析出的結果，可明顯觀察到：(1)流體為水時，顏色大多是最深色，靜壓最低，在中央的流速并不高，顏色比較淡，而水性膠A和水性膠B中央流速反而較高;(2)從顏色上觀察，水性膠A與水性膠B相比，A的深色高速區較大;(3)對于水，每個葉片的尾部有一小圈相對高壓區，但是于水性膠A，每個葉片的尾部有一小圈相對低壓區，而水性膠B這種現象不明顯。從圖4還可以看到，在2 000 r/min時，圖中深色代表101 300.00 Pa及以上，最深色代表100 300.00 Pa。可明顯觀察到：(1)流體為水時，葉片承受的靜壓小，最深色區域較多，當轉速大時，葉片顏色基本是最深色，即 2 000 r/min葉片的承受靜壓比1 000 r/min時小;(2)相同轉速下，膠體的黏度越大，葉片承受的靜壓越大;(3)相同流體下，轉速越大，葉片承受靜壓越小。

　　2.4 參數匯總

　　葉片扭矩、壓降和工作效率三個參數的對比明細，如表2所示。由表 2 可知：(1)1 000 r/min 時，葉片扭矩隨黏度提高而增加，2 000 r/min時，葉片扭矩隨黏度提高而增加;同時，葉片的扭矩也隨轉速提高而成倍升高;(2)當流體為水時，壓降為負，當流體為水性膠A和水性膠B時，壓降為正(壓降為進口與出口的壓力差);(3)工作效率的公式，正說明出口壓力大于進口壓力，負說明出口壓力小于進口壓力。從表 2 還可觀察到，1 000 r/min 時，當流體為水時(項目 1)，工作效率為正(0.208 194 6)，當流體為水性膠 A 和水性膠 B 時，工作效率為負(項目 2 為-6.015 492 0，而項目3為-3.965 539 1)。因此，當 1 000 r/min時，流體為水時效率為0.208，而項目2和項目 3獲得的數據，因為其絕對值大于 1，而無參考價 值 。 當 2 000 r/min 時 ，流 體 為 水 時 效 率 為 0.772 831 3( 項 目 4)，相 對 于 1 000 r/min 的 0.208 194 6 有所提高，項目 5 的數據為-0.223 641 9 和項目 6 獲得的數據-0.429 581 1，表明當流體是水性膠 B 時，離心泵的工作效率比水性膠 A 高(-0.429 581 1的絕對值大于-0.223 641 9的絕對值)。

　　3 結 語

　　本項目利用軟件自帶的離心泵 CAD 模型，對 6 個流體項目進行CFD分析，從分析可得到以下結論。(1)水流在中央的流速并不高，顏色比較淡，而水性膠 A 和水性膠 B 中央流速反而較高;水流的淺色中速影響區比水性膠 A 與水性膠 B 大;從顏色上觀察，水性膠A與水性膠B無太大區別。(2)流 體 為 水 時 ，顏 色 基 本 是 最 深 色 ，相 對 1 000 r/min，幾乎沒有高速區;對于水，每個葉片的尾部不再有一小圈相對高壓區，但是對于水性膠A，每個葉片的尾部有一較大圈相對低壓區，而水性膠 B，每個葉片的尾部有一小圈相對低壓區。(3)流體為水時，葉片承受的靜壓小，最深色區域較多，當轉速大時，葉片顏色基本是最深色，即 2 000 r/min 葉片的承受靜壓比 1 000 r/min 時小;相同轉速下，膠體的黏度越大，葉片承受的靜壓越大;相同流體下，轉速越大，葉片承受靜壓越小。(4)液態膠粘劑大多屬于非牛頓流體，了解膠粘劑的黏度與流速等參數的關系，可以對離心泵的使用提供重要參考。