應(yīng)用智能CFD技術(shù)計(jì)算離心泵的工作效率

　　【摘 要】運(yùn)用CFD技術(shù)，對(duì)離心泵流速、壓力等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，有效地預(yù)測(cè)了離心泵轉(zhuǎn)速與流體黏度、壓降和工作效率的關(guān)系。因液態(tài)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(shù)的關(guān)系，可以對(duì)離心泵的使用提供重要參考。

　　【關(guān)鍵詞】離心泵;CFD技術(shù);膠粘劑制備;壓降

　　陳璟; 趙子龍; 陳龍; 周金卿 中國(guó)膠粘劑 2021-12-28

　　0 前 言近年來(lái)，因環(huán)境保護(hù)工作的大力推廣，清潔生產(chǎn)日益受到世界各國(guó)各行業(yè)的極大關(guān)注。膠粘劑的制備屬于化工行業(yè)清潔生產(chǎn)，要求最大限度地采用先進(jìn)實(shí)用的清潔工藝技術(shù)。在膠粘劑制備過(guò)程中，往往會(huì)用到離心泵，而離心泵的效率與結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。因液態(tài)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(shù)的關(guān)系，可以對(duì)離心泵的使用提供重要參考。為了設(shè)計(jì)出高效的離心泵，傳統(tǒng)的方法是做試驗(yàn)，但產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程需要不斷反復(fù)，存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、樣件制作和測(cè)試成本高的問(wèn)題。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的應(yīng)用，可以縮短膠粘劑的研發(fā)時(shí)間。吳賢芳等[1] 為了運(yùn)用CFD技術(shù)預(yù)測(cè)單流道離心泵性能中的精度，研究了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、重正化群 k-ε 湍流模型、標(biāo)準(zhǔn) 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(nèi)流計(jì)算中的適用性，并分析了泵內(nèi)的流動(dòng)，為單流道離心泵CFD性能預(yù)測(cè)提供參考。王洋等[2] 為提高射流自吸泵效率，設(shè)計(jì)了9組試驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)值分析軟件及極差分析確定了性能最優(yōu)參數(shù)組合，為同類泵的優(yōu)化提供了一種較可靠的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理方法。這兩篇報(bào)道都與農(nóng)業(yè)機(jī)械有關(guān)，且并未針對(duì)膠粘劑原料制備中使用到的離心泵進(jìn)行深入分析。本文運(yùn)用 CFD 技術(shù)，對(duì)離心泵流速、壓力等進(jìn)行系統(tǒng)研究，有效地預(yù)測(cè)了黏度和壓降的關(guān)系，可提高離心泵設(shè)計(jì)的合理性，從而大幅縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

　　1 試驗(yàn)部分

　　1.1 分析數(shù)模及分析軟件

　　本文的數(shù)模，由SolidWorks軟件中Rotating Impeller 章節(jié)的案例提供，使用的分析軟件為 SolidWorks 公司開(kāi)發(fā)的Flow Simulation專業(yè)流體分析插件。

　　1.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬假設(shè)

　　一般認(rèn)為要將流體離心處理，不僅要有合適的旋轉(zhuǎn)速度，還要對(duì)流體的黏度有一定的要求，同時(shí)要考慮離心泵的結(jié)構(gòu)。離心泵簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　為了研究膠體黏度對(duì)流速等參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了6個(gè)CFD項(xiàng)目。使用相同的狹長(zhǎng)通道模型，但三種流體不同，項(xiàng)目1和4的流體是水;項(xiàng)目2和5的流體是一種黏度為20 Pa·s的水性膠A;項(xiàng)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(shí)情況更接近，水性膠A與水性膠B的流動(dòng)類型設(shè)置為“層流”，而水設(shè)置為“層流+紊流”，具體如表1所示。

　　1.3 前處理 1.3.1 初始設(shè)置及邊界條件

　　6 個(gè)項(xiàng)目具有相同的入口和出口設(shè)置，均設(shè)置入口流量為 0.3 m3 /s，出口設(shè)為壓力出口，離心泵所有的內(nèi)壁都設(shè)定為固定的“真實(shí)壁面”。通過(guò)“檢查模型”顯示狀態(tài)正常，分析類型為內(nèi)部，流體體積為 21 135 cm3 。在“物理特征”里“旋轉(zhuǎn)”項(xiàng)打勾，類型設(shè)為整體旋轉(zhuǎn)，參考軸為 Z 軸，角速度根據(jù)不同的項(xiàng)目，設(shè)為1 000或2 000 r/min。

　　1.3.2 網(wǎng)格劃分條件

　　為加速網(wǎng)格劃分，使用自動(dòng)全局網(wǎng)格設(shè)置，“初始網(wǎng)格級(jí)別”設(shè)為 4 級(jí)，設(shè)最小縫隙尺寸為 40 mm，勾選“高級(jí)通道細(xì)化”及“封閉細(xì)孔縫”，并設(shè)置“待封閉孔的最大高度”為 4 mm。因 6個(gè)項(xiàng)目的數(shù)模結(jié)構(gòu)都一樣，網(wǎng)格劃分的設(shè)置也相同，求解后劃分出 17.5萬(wàn)流體網(wǎng)格[3-10] 。

　　1.3.3 離心泵工作效率公式

　　工作效率(η)的計(jì)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(nèi)編輯設(shè)置好，用于控制計(jì)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(zhuǎn)角速度(rad/s， 1 rad/s=9.55 r/min);M為葉片的扭矩(N·m)。

　　2 結(jié)果與討論 2.1 速度分布云圖

　　6 個(gè) CFD 方案取了上視圖的速度分布云圖對(duì)比，結(jié)果如圖2所示，灰度代表流速。

　　由圖 2 可知：在 1 000 r/min 時(shí)，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(shè)想是：(1)水黏度低，應(yīng)該流速快，水性膠黏度高，應(yīng)該相對(duì)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(yīng)該比水性膠 B快。而分析出的結(jié)果，與設(shè)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(qū)較大。從圖 2還可直觀看到，在 2 000 r/min時(shí)，圖中深色(最上端)代表30 cm/s及以上，最深色(最下端)代表 0?？擅黠@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(qū)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(wú)太大區(qū)別。

　　2.2 靜壓分布云圖

　　6 個(gè) CFD 方案取了上視圖的靜壓分布云圖對(duì)比，顏色代表靜壓，結(jié)果如圖3所示。

　　由圖3可知：在1 000 r/min時(shí)，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(shè)想是：(1)水黏度低，應(yīng)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(yīng)該比水性膠A高。而分析出的結(jié)果，可明顯觀察到：(1)流體為水時(shí)，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(qū)較大;(3)對(duì)水，每個(gè)葉片的尾部有一小圈相對(duì)高壓區(qū)，但是對(duì)水性膠A，每個(gè)葉片的尾部有一小圈相對(duì)低壓區(qū)，而水性膠B這種現(xiàn)象不明顯。從圖 3中還可以看到，在 2 000 r/min時(shí)，圖中深色 代 表 101 300.00 Pa 及 以 上 ，最 深 色 代 表 100 300.00 Pa?？擅黠@觀察到：(1)流體為水時(shí)，顏色基本是最深色，相對(duì) 1 000 r/min，幾乎沒(méi)有高速區(qū);(2)對(duì)于水，每個(gè)葉片的尾部不再有一小圈相對(duì)高壓區(qū)，但是對(duì)于水性膠A，每個(gè)葉片的尾部有一較大圈相對(duì)低壓區(qū)，而水性膠B，每個(gè)葉片的尾部有一小圈相對(duì)低壓區(qū)。

　　2.3 葉片表面靜壓分布云圖

　　6個(gè)葉片表面的靜壓分布云圖對(duì)比，結(jié)果如圖4 所示，顏色代表靜壓。

　　由圖 4 可知：在 1 000 r/min 時(shí)，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(shè)想是：(1)水黏度低，應(yīng)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(yīng)該比水性膠A高。而分析出的結(jié)果，可明顯觀察到：(1)流體為水時(shí)，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(qū)較大;(3)對(duì)于水，每個(gè)葉片的尾部有一小圈相對(duì)高壓區(qū)，但是于水性膠A，每個(gè)葉片的尾部有一小圈相對(duì)低壓區(qū)，而水性膠B這種現(xiàn)象不明顯。從圖4還可以看到，在2 000 r/min時(shí)，圖中深色代表101 300.00 Pa及以上，最深色代表100 300.00 Pa?？擅黠@觀察到：(1)流體為水時(shí)，葉片承受的靜壓小，最深色區(qū)域較多，當(dāng)轉(zhuǎn)速大時(shí)，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(shí)小;(2)相同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速越大，葉片承受靜壓越小。

　　2.4 參數(shù)匯總

　　葉片扭矩、壓降和工作效率三個(gè)參數(shù)的對(duì)比明細(xì)，如表2所示。由表 2 可知：(1)1 000 r/min 時(shí)，葉片扭矩隨黏度提高而增加，2 000 r/min時(shí)，葉片扭矩隨黏度提高而增加;同時(shí)，葉片的扭矩也隨轉(zhuǎn)速提高而成倍升高;(2)當(dāng)流體為水時(shí)，壓降為負(fù)，當(dāng)流體為水性膠A和水性膠B時(shí)，壓降為正(壓降為進(jìn)口與出口的壓力差);(3)工作效率的公式，正說(shuō)明出口壓力大于進(jìn)口壓力，負(fù)說(shuō)明出口壓力小于進(jìn)口壓力。從表 2 還可觀察到，1 000 r/min 時(shí)，當(dāng)流體為水時(shí)(項(xiàng)目 1)，工作效率為正(0.208 194 6)，當(dāng)流體為水性膠 A 和水性膠 B 時(shí)，工作效率為負(fù)(項(xiàng)目 2 為-6.015 492 0，而項(xiàng)目3為-3.965 539 1)。因此，當(dāng) 1 000 r/min時(shí)，流體為水時(shí)效率為0.208，而項(xiàng)目2和項(xiàng)目 3獲得的數(shù)據(jù)，因?yàn)槠浣^對(duì)值大于 1，而無(wú)參考價(jià) 值 。 當(dāng) 2 000 r/min 時(shí) ，流 體 為 水 時(shí) 效 率 為 0.772 831 3( 項(xiàng) 目 4)，相 對(duì) 于 1 000 r/min 的 0.208 194 6 有所提高，項(xiàng)目 5 的數(shù)據(jù)為-0.223 641 9 和項(xiàng)目 6 獲得的數(shù)據(jù)-0.429 581 1，表明當(dāng)流體是水性膠 B 時(shí)，離心泵的工作效率比水性膠 A 高(-0.429 581 1的絕對(duì)值大于-0.223 641 9的絕對(duì)值)。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　本項(xiàng)目利用軟件自帶的離心泵 CAD 模型，對(duì) 6 個(gè)流體項(xiàng)目進(jìn)行CFD分析，從分析可得到以下結(jié)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(qū)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(wú)太大區(qū)別。(2)流 體 為 水 時(shí) ，顏 色 基 本 是 最 深 色 ，相 對(duì) 1 000 r/min，幾乎沒(méi)有高速區(qū);對(duì)于水，每個(gè)葉片的尾部不再有一小圈相對(duì)高壓區(qū)，但是對(duì)于水性膠A，每個(gè)葉片的尾部有一較大圈相對(duì)低壓區(qū)，而水性膠 B，每個(gè)葉片的尾部有一小圈相對(duì)低壓區(qū)。(3)流體為水時(shí)，葉片承受的靜壓小，最深色區(qū)域較多，當(dāng)轉(zhuǎn)速大時(shí)，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(shí)小;相同轉(zhuǎn)速下，膠體的黏度越大，葉片承受的靜壓越大;相同流體下，轉(zhuǎn)速越大，葉片承受靜壓越小。(4)液態(tài)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(shù)的關(guān)系，可以對(duì)離心泵的使用提供重要參考。