应用智能CFD技术计算离心泵的工作效率

　　【摘 要】运用CFD技术，对离心泵流速、压力等进行了系统研究，有效地预测了离心泵转速与流体黏度、压降和工作效率的关系。因液态胶粘剂大多属于非牛顿流体，了解胶粘剂的黏度与流速等参数的关系，可以对离心泵的使用提供重要参考。

　　【关键词】离心泵;CFD技术;胶粘剂制备;压降

　　陈璟; 赵子龙; 陈龙; 周金卿 中国胶粘剂 2021-12-28

　　0 前 言近年来，因环境保护工作的大力推广，清洁生产日益受到世界各国各行业的极大关注。胶粘剂的制备属于化工行业清洁生产，要求最大限度地采用先进实用的清洁工艺技术。在胶粘剂制备过程中，往往会用到离心泵，而离心泵的效率与结构有着密切的关系。因液态胶粘剂大多属于非牛顿流体，了解胶粘剂的黏度与流速等参数的关系，可以对离心泵的使用提供重要参考。为了设计出高效的离心泵，传统的方法是做试验，但产品开发过程需要不断反复，存在设计周期长、样件制作和测试成本高的问题。计算流体力学(CFD)技术的应用，可以缩短胶粘剂的研发时间。吴贤芳等[1] 为了运用CFD技术预测单流道离心泵性能中的精度，研究了标准k-ε湍流模型、重正化群 k-ε 湍流模型、标准 k-ω 湍流模型和 SST k-ω湍流模型4种湍流模型在单流道离心泵内流计算中的适用性，并分析了泵内的流动，为单流道离心泵CFD性能预测提供参考。王洋等[2] 为提高射流自吸泵效率，设计了9组试验，运用数值分析软件及极差分析确定了性能最优参数组合，为同类泵的优化提供了一种较可靠的试验设计及数据处理方法。这两篇报道都与农业机械有关，且并未针对胶粘剂原料制备中使用到的离心泵进行深入分析。本文运用 CFD 技术，对离心泵流速、压力等进行系统研究，有效地预测了黏度和压降的关系，可提高离心泵设计的合理性，从而大幅缩短产品的开发周期。

　　1 试验部分

　　1.1 分析数模及分析软件

　　本文的数模，由SolidWorks软件中Rotating Impeller 章节的案例提供，使用的分析软件为 SolidWorks 公司开发的Flow Simulation专业流体分析插件。

　　1.2 项目设计及数值模拟假设

　　一般认为要将流体离心处理，不仅要有合适的旋转速度，还要对流体的黏度有一定的要求，同时要考虑离心泵的结构。离心泵简易结构如图1所示。

　　为了研究胶体黏度对流速等参数的影响，设计了6个CFD项目。使用相同的狭长通道模型，但三种流体不同，项目1和4的流体是水;项目2和5的流体是一种黏度为20 Pa·s的水性胶A;项目3和6的流体是一种黏度为40 Pa·s的水性胶B。为了与真实情况更接近，水性胶A与水性胶B的流动类型设置为“层流”，而水设置为“层流+紊流”，具体如表1所示。

　　1.3 前处理 1.3.1 初始设置及边界条件

　　6 个项目具有相同的入口和出口设置，均设置入口流量为 0.3 m3 /s，出口设为压力出口，离心泵所有的内壁都设定为固定的“真实壁面”。通过“检查模型”显示状态正常，分析类型为内部，流体体积为 21 135 cm3 。在“物理特征”里“旋转”项打勾，类型设为整体旋转，参考轴为 Z 轴，角速度根据不同的项目，设为1 000或2 000 r/min。

　　1.3.2 网格划分条件

　　为加速网格划分，使用自动全局网格设置，“初始网格级别”设为 4 级，设最小缝隙尺寸为 40 mm，勾选“高级通道细化”及“封闭细孔缝”，并设置“待封闭孔的最大高度”为 4 mm。因 6个项目的数模结构都一样，网格划分的设置也相同，求解后划分出 17.5万流体网格[3-10] 。

　　1.3.3 离心泵工作效率公式

　　工作效率(η)的计算公式，可以借鉴F.M. White 在 1994 年撰写的《Fluid Mechanics》中的公式，如式(1)所示。此公式可以在软件内编辑设置好，用于控制计算收敛。 η=|(Po-P)i ×Q|Ω|M| (1)式中：Pi为入口的静压(Pa);Po为出口静压(Pa); Q为体积流量(m3 /s);Ω为叶片的旋转角速度(rad/s， 1 rad/s=9.55 r/min);M为叶片的扭矩(N·m)。

　　2 结果与讨论 2.1 速度分布云图

　　6 个 CFD 方案取了上视图的速度分布云图对比，结果如图2所示，灰度代表流速。

　　由图 2 可知：在 1 000 r/min 时，图中深色(最上端)代表 30 cm/s 及以上，最深色(最下端)代表 0。通常设想是：(1)水黏度低，应该流速快，水性胶黏度高，应该相对于水的流速慢;(2)水性胶 A 的黏度是水性胶 B 的一半，水性胶 A 的流速应该比水性胶 B快。而分析出的结果，与设想完全不同，可明显观察到：(1)水流在中央的流速并不高，颜色比较淡，而水性胶A和水性胶B中央流速反而较高;(2)从颜色上观察，水性胶 A 与水性胶 B 相比，深色高速区较大。从图 2还可直观看到，在 2 000 r/min时，图中深色(最上端)代表30 cm/s及以上，最深色(最下端)代表 0。可明显观察到：(1)水流在中央的流速并不高，颜色比较淡，而水性胶A和水性胶B中央流速反而较高;(2)水流的浅色的中速影响区比水性胶A与水性胶 B 大;(3)从颜色上观察，水性胶 A 与水性胶 B无太大区别。

　　2.2 静压分布云图

　　6 个 CFD 方案取了上视图的静压分布云图对比，颜色代表静压，结果如图3所示。

　　由图3可知：在1 000 r/min时，图中深色(最上端)代表 101 300.00 Pa 及以上，最深色(最下端)代表 100 300.00 Pa。通常设想是：(1)水黏度低，应该流速快，水性胶黏度高，静压大;(2)水性胶A的黏度是水性胶B的一半，水性胶B的静压应该比水性胶A高。而分析出的结果，可明显观察到：(1)流体为水时，颜色大多是深色，静压最低，在中央的流速并不高，颜色比较淡，而水性胶 A 和水性胶 B 中央流速反而较高;(2)从颜色上观察，水性胶 A 与水性胶 B相比，A 的深色高速区较大;(3)对水，每个叶片的尾部有一小圈相对高压区，但是对水性胶A，每个叶片的尾部有一小圈相对低压区，而水性胶B这种现象不明显。从图 3中还可以看到，在 2 000 r/min时，图中深色 代 表 101 300.00 Pa 及 以 上 ，最 深 色 代 表 100 300.00 Pa。可明显观察到：(1)流体为水时，颜色基本是最深色，相对 1 000 r/min，几乎没有高速区;(2)对于水，每个叶片的尾部不再有一小圈相对高压区，但是对于水性胶A，每个叶片的尾部有一较大圈相对低压区，而水性胶B，每个叶片的尾部有一小圈相对低压区。

　　2.3 叶片表面静压分布云图

　　6个叶片表面的静压分布云图对比，结果如图4 所示，颜色代表静压。

　　由图 4 可知：在 1 000 r/min 时，图中深色代表 101 200.00 Pa及以上，最深色代表100 300.00 Pa。通常设想是：(1)水黏度低，应该流速快，水性胶黏度高，静压大;(2)水性胶A的黏度是水性胶B的一半，水性胶B的静压应该比水性胶A高。而分析出的结果，可明显观察到：(1)流体为水时，颜色大多是最深色，静压最低，在中央的流速并不高，颜色比较淡，而水性胶A和水性胶B中央流速反而较高;(2)从颜色上观察，水性胶A与水性胶B相比，A的深色高速区较大;(3)对于水，每个叶片的尾部有一小圈相对高压区，但是于水性胶A，每个叶片的尾部有一小圈相对低压区，而水性胶B这种现象不明显。从图4还可以看到，在2 000 r/min时，图中深色代表101 300.00 Pa及以上，最深色代表100 300.00 Pa。可明显观察到：(1)流体为水时，叶片承受的静压小，最深色区域较多，当转速大时，叶片颜色基本是最深色，即 2 000 r/min叶片的承受静压比1 000 r/min时小;(2)相同转速下，胶体的黏度越大，叶片承受的静压越大;(3)相同流体下，转速越大，叶片承受静压越小。

　　2.4 参数汇总

　　叶片扭矩、压降和工作效率三个参数的对比明细，如表2所示。由表 2 可知：(1)1 000 r/min 时，叶片扭矩随黏度提高而增加，2 000 r/min时，叶片扭矩随黏度提高而增加;同时，叶片的扭矩也随转速提高而成倍升高;(2)当流体为水时，压降为负，当流体为水性胶A和水性胶B时，压降为正(压降为进口与出口的压力差);(3)工作效率的公式，正说明出口压力大于进口压力，负说明出口压力小于进口压力。从表 2 还可观察到，1 000 r/min 时，当流体为水时(项目 1)，工作效率为正(0.208 194 6)，当流体为水性胶 A 和水性胶 B 时，工作效率为负(项目 2 为-6.015 492 0，而项目3为-3.965 539 1)。因此，当 1 000 r/min时，流体为水时效率为0.208，而项目2和项目 3获得的数据，因为其绝对值大于 1，而无参考价 值 。 当 2 000 r/min 时 ，流 体 为 水 时 效 率 为 0.772 831 3( 项 目 4)，相 对 于 1 000 r/min 的 0.208 194 6 有所提高，项目 5 的数据为-0.223 641 9 和项目 6 获得的数据-0.429 581 1，表明当流体是水性胶 B 时，离心泵的工作效率比水性胶 A 高(-0.429 581 1的绝对值大于-0.223 641 9的绝对值)。

　　3 结 语

　　本项目利用软件自带的离心泵 CAD 模型，对 6 个流体项目进行CFD分析，从分析可得到以下结论。(1)水流在中央的流速并不高，颜色比较淡，而水性胶 A 和水性胶 B 中央流速反而较高;水流的浅色中速影响区比水性胶 A 与水性胶 B 大;从颜色上观察，水性胶A与水性胶B无太大区别。(2)流 体 为 水 时 ，颜 色 基 本 是 最 深 色 ，相 对 1 000 r/min，几乎没有高速区;对于水，每个叶片的尾部不再有一小圈相对高压区，但是对于水性胶A，每个叶片的尾部有一较大圈相对低压区，而水性胶 B，每个叶片的尾部有一小圈相对低压区。(3)流体为水时，叶片承受的静压小，最深色区域较多，当转速大时，叶片颜色基本是最深色，即 2 000 r/min 叶片的承受静压比 1 000 r/min 时小;相同转速下，胶体的黏度越大，叶片承受的静压越大;相同流体下，转速越大，叶片承受静压越小。(4)液态胶粘剂大多属于非牛顿流体，了解胶粘剂的黏度与流速等参数的关系，可以对离心泵的使用提供重要参考。