基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

0 评论

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析让仿真变成生产力   

 

 

安世亚太流体高级工程师

陈瑞

0.摘要

 

 

本文通过安世亚太自主开发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid对水泵内流场进行计算分析,得到水泵在不同流量下的特性值。通过这个计算分析,展示PERA SIM Fluid的相关功能,希望对其他工程师有所帮助。

 

词:水泵;MRF;扬程特性曲线;效率特性曲线

 

1.引言

 

 

水泵作为一种广泛应用于各种工业、农业和民用领域的流体输送设备,其功能和应用在现代社会中显得尤为关键。水泵的主要功能是通过机械能的作用,将低处的水或其他液体提升至高处,或增加其压力,以满足灌溉、供水、排水、制冷、加热等不同场合的需求。其应用不仅限于日常生活,更深入到能源、化工、环保等国民经济的各个领域。然而,水泵在运行过程中受到诸多因素的影响,如流体的物性、管道布置、转速、扬程等,这些因素直接关系到水泵的性能和效率。因此,对水泵特性进行深入研究,不仅有助于优化水泵设计、提高运行效率,而且对于节能减排、推动相关领域的技术进步具有重要意义。

 

在水泵的设计及优化过程中,仿真技术的重要性不可忽视。通过仿真模拟,研究人员可以在不实际制造或安装水泵的情况下,预测其性能表现,从而大幅缩短研发周期,减少成本投入。仿真可以模拟各种工作条件和流体特性,分析水泵在不同场景下的效率、稳定性和可靠性。此外,仿真还有助于优化水泵设计,通过调整参数和模型,实现性能的最优化。在评估水泵的节能潜力和环境影响方面,仿真技术同样发挥着关键作用。因此,仿真不仅为水泵研究提供了有效的分析工具,更为水泵技术的创新和应用提供了有力支撑。

本文通过通用流体分析软件PERA SIM Fluid对离心泵内流场流动进行仿真分析展示PERA SIM Fluid实现水泵特性研究的方法。

 

 

2.离心泵结构

与研究方法

 

 

2.1 模型

结构上离心泵由叶轮、泵壳、泵轴、轴承、密封环、填料函等部件构成,在流动分析的时候,并不需要其中固体部分,而需要构建泵内流场区域,本案例所提供的模型如图 1所示,模型中已经构建了分析所需的流场区域,并将分析所不需要的固体区域移除。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 1 离心泵模型

 

2.2 计算工况

本次计算3D离心水泵在不同工况下的流场状态,计算域分为两个区域:叶轮转子区域和静止蜗壳区域。叶轮总共包含 6 个叶片,绕 z 轴转动,转速为1450RPM。泵内流体介质为水,额定工况下进口流量为77.8kg/s,蜗壳出口压力为一个大气压。水泵内流体运动为湍流流动。

 

为测定水泵的流量扬程特性曲线,将水泵在不同进口流量下进行计算,并某主流流体仿真软件进行对比。

 

3.仿真设置流程

 

 

3.1 模型建立及简化

1) 打开PERA SIM Fluid 2024R1,在工作目录下新建项目【Pump】,将准备地好的离心水泵几何文件“Pump.ppcf”导入;

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 2 几何导入窗口

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 3 导入后的离心水泵几何模型

 

2) 在视图区转动几何至合适位置,通过ctrl键多选,右键选择【隐藏对象】;

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 4 选中几何特征后右键隐藏

 

3) 在 Ribbon 菜单上选择【几何】 →【面编辑】 →【创建】,激活几何面创建功能。随后在视图区通过ctrl多选圆弧线,点击【创建】,构建出圆面;

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 5 创建面属性面板

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 6 创建圆面后效果

 

4) 再次使用【隐藏对象】功能,隐藏蜗壳出口段(直管)侧壁两个面,可查看到蜗壳出口位置存在两个重叠面,效果如图 7所示,随后在Ribbon 菜单上选择【几何】 →【其他】 →【删除】,激活几何删除功能,依次选中,将该处的两个重叠面都删除;

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 7 隐藏面后示意图

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 8 几何删除属性面板

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 9 最终删除后效果

 

5) 打开【几何】 →【快速修复】 面板,保持默认设置,点击【修复】按钮。如下图所示:

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 10 快速修复设置

 

6) 执行【几何】 →【修复】 →【识别体】功能,软件会基于面自动识别出对应的体区域。体区域识别后,模型树会自动生成“Volume1”、“Volume2”和 “Volume3”三个节点,如下图所示:

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 11 识别体后的区域示意

 

7) 在模型树节点中点击相应的体节点,可获得视图区几何体高亮。在节点“Volume1”上右键单击重命名,将“Volume1”修改为“volute”,同理将“Volume2”“Volume3”分别命名为“rotor”和“inletpipe”;在模型树选中“Share_fluid”几何边界,右键选择【重命名】,在弹出属性面板中将组名称改为“Share_rotorin”,重命名后将同时修改另一个组与之匹配的共享面名称,如下图所示:

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 12 重命名后的模型树状态

 

8) Ribbon功能区中切换到【网格】功能,【网格】中先进行【全局网格】设置。设置最大尺寸0.008,最小尺寸0.002,点击【应用】;

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 13 全局网格控制基本设置

 

9) 在【网格】功能中进行【边界层】设置,需要对壁面处添加边界层;设置“inletwall”“blades” “hub”“Share_rotorout”“shroud”“volute_wall”面第一层层高0.001m,共计5层;

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析
基于PERA SIM的水泵流场仿真分析
基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

 

 图 14 边界层的定义

 

10) 在【网格】功能中,勾选【边界层】和【多面体】,选择进行【基于体】生成体网格。生成网格216989个多面体网格。通过【工具】下的【网格切平面】功能,可以进行网格剖视查看。通过【网格】功能下的【质量】功能,可以查看网格质量分布。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 15 生成的体网格

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 16 网格切面

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 17 网格质量查看

 

3.2 求解设置

1) 模型树区域由【网格】模块切换到【分析】模块下,进行求解条件的设置。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 18 分析模块

 

2) 在【模型】中【粘度】模型里,选择模型为SST kw模型,壁面函数选择混合壁面函数。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 19 粘度模型的设置

 

3) Ribbon功能区中,切换到【设置】功能下,点开【材料库】,将材料库中的液态水复制到材料中,点开模型树中的【材料】节点,可以看到液态水已经在材料中了。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 20 添加材料

 

4) 点开【计算域】节点中的【流体】节点,双击“rotor”节点,弹出“rotor”域设置面板,参照下图所示进行设置,需要勾选【运动参考系】,设置旋转速度为1450转,旋转轴为z轴。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 21 设置计算域

 

5) 点开【边界条件】节点,右键单击“inlet(壁面) ”节点,选择【类型】 →【质量流量入口】,双击“inlet(质量流量入口) ”节点,打开质量流量入口属性设置界面,设置【质量流率】 为 77.8(kg/s),其余设置保持默认。右键单击“outlet(壁面) ”节点,选择【类型】 →【压力出口】,双击“outlet(压力出口) ”节点,打开压力出口属性设置界面, 设置【湍流】→【定义方式】为【强度和粘性比】。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 22 边界条件的定义

 

6) 双击【求解】节点下的【方法】节点,打开求解方法设置属性页,设置空间离散动量格式为【二阶迎风格式】,湍流格式为【一阶迎风格式】,压力格式为【二阶格式】,其余设置为默认,点击【应用】按钮确认设置。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 23 求解方法的设置

 

7) 双击【求解】节点下的【控制】节点,打开方程求解控制设置属性页,保持默认设置;

 

8) 在【求解】节点下的【监控】节点中,新建监测控制。将监测节点名称命名为“叶片扭矩”,边界列表中选择【blade】边界,下方仅勾选【力矩】选项,其余保持默认设置,点击【创建】按钮新建监测点;

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 24 点速度监控

 

9) 双击【求解】节点下的【初始化】节点,打开求解初始化设置属性页,保持默认设置,点击【应用】按钮确认设置;

 

10) 双击【求解】节点下的【计算】节点,打开计算设置属性页,设置【并行选项】→【本地】→【核数】为 4,【迭代选项】→【迭代步数】 为 500,其余保持默认设置,点击【应用】按钮确认设置。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 25 计算设置

4.计算结果分析

 

PERA SIM Fluid后处理包括点数据提取,线、面、分割区域的云图、矢量图、等值线/等值面、动画、二维数据表/曲线、用户自定义变量等。这里仅展示部分功能。

 

左侧模型树上方切换到【结果】标签页下,Ribbon功能区切换到【后处理】功能中,可以进行相关的后处理操作,下面展示部分后处理计算结果。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 26 压力分布图

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 27 叶轮表面压力

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 28 迹线图

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 29 截面x=0处速度云图和压力云图

 

经过多个工况的计算,绘制出该离心水泵的扬程特性曲线和效率特性曲线,并与某主流流体仿真软件计算结果进行对比,计算结果均能够很好地吻合,计算偏差均在2%以下。

 

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

30 计算结果对比

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

图 31 流量扬程曲线对比图

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

 

图 32 流量效率曲线对比图

5.结论

 

 

本文利用PERA SIM Fluid流体仿真软件,实现了离心水泵的流场分析。完成模型导入、几何修复、网格划分、边界条件以及求解参数等设置处理后,进行了求解,得到了离心水泵的流场速度、压力结果并与某主流流体仿真软件进行对比。

 

通过本案例可以看出,PERA SIM Fluid流体仿真软件能够处理完整的流体仿真

 

1. 从几何层面上来讲,软件支持多种外部模型类型的导入,并对模型进行快速地修复;

 

2. 从网格层面,软件支持局部网格控制、全局网格控制,边界层网格划分以及多面体体网格生成;

 

3. 从材料和粘度模型来讲,软件提供了材料库,提供了多种常用材料的快速导入;并且提供了多种湍流模型来适应多种不同的工况的计算;

 

4. 从计算域功能来看,软件支持MRF多参考系来对旋转机械、部件进行分析;

 

5. 从边界条件层面来讲,软件支持压力、流量、速度等多种载荷类型,支持多种壁面边界条件以及流体交界面的定义;

 

6. 从后处理层面来看,软件可以查看计算的速度、压力等结果云图以及迹线图,也支持查看特定截面的云图展示,同时支持特定曲线上的流动变量提取等功能。

 

本例仅能展示PERA SIM Fluid流体分析软件的部分功能,还有很多功能有待感兴趣的工程师进一步地尝试开发。

基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

安世亚太具有业界完整的自主仿真技术体系,引领中国自主仿真技术发展。自主研发的PERA SIM通用仿真软件能够提供通用物理场(结构、热、流体、电磁、声学)及耦合场分析功能,以及能同时适用于结构、流体、电磁、声学等学科的通用前后处理器。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

相关软件
在工业软件“卡脖子”和国产化替代政策的双重影响下,发展自主仿真软件势在必行。汇聚25年仿真技术成果,融合国内外技术资源和服务5000余家用户后对需求的精准把握、上万实际应用案例等优势,推出大型通用仿真软件PERA SIM,形成通用仿真+专业