一种离心泵流道设计方法及系统与流程

本发明涉及流道设计技术领域，具体涉及一种离心泵流道设计方法及系统。

背景技术：

离心泵的原理是利用叶片让液体旋转，利用离心力增加压力。因此，离心泵具有无零件磨损、压力范围广、流量大、结构简单紧凑等优点，被广泛应用于各个领域。

离心泵根据用途不同，需要传送不同种类、不同温度的流体介质，如清水、河水、生活污水、工业废水、锅炉水、化工液体、石油化工液体等，对于传送常温下的流体介质，离心泵的水力模型相对简单一些，但对于传送温度较高的流体介质，如离心式热泵在传送介质时，在叶轮表面由于相对运动产生的热量难以快速消退，导致传送介质的紊流特征更明显。相对传送冷水时，冷水散热快，平流的性能非常突出，所以热泵流道设计考虑的问题相对复杂很多。如图1所示，常温水的流动模拟结果显示，由于水的介质均匀，摩擦力对流动产生的影响均匀分布，呈现平稳的层流状态。而对于离心式热泵，带压的热水在流道流动的过程中，流道截面逐步扩大，压力逐渐降低、由于边界摩擦生热的效果，导致边界层气化的风险增大。在流道截面增大的过程中，热水的流动特性发生变化，从平稳有序的层流状态，逐步过渡到边界层以紊流状态为主的低效流动。如图2所示的模拟实验中看出，在流道入口，离心式热泵的介质呈现稳定的层流状态，随着流道逐步加宽，在出口侧出现明显分离效果。依据热量分布分析可知，在靠近流道出口的位置，边界层的温度在上升，压力下降，将引起边界层分离效果明显。因此当离心泵的传输介质的温度大于常温时，泵送介质的流动形态与常温有区别，特别在与叶片表面接触的表层，流动特性与常温清水离心泵的形态明显不同。对于传送不同的介质，当传送的介质不均匀，摩擦力对流动产生的影响也不均匀，其流体力学模型更为复杂。

因此，离心泵从几何结构和内部流体的基本瞬态物理场这两个方面而言，离心泵内的流动特别复杂，难以量化，其设计理论门槛较高，叶片形状较复杂。目前流道设计主要是在理论数据的基础上，采用经验值进行设计；或靠逆向工程开发新产品。因此泵的效率提升困难、设计的重复性不好，对于同样给定参数的泵的流道设计可能会非常不同。

鉴于此，本发明根据离心泵实际运行工况和内部流体的流动特性，提供一种离心泵流道设计方法。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种离心泵流道设计方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种离心泵流道设计方法，包括如下步骤：

s1：以所需离心泵的二维图为基础，利用三维制图工具建立所述离心泵的三维模型；所述离心泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；

s2：将所述离心泵的三维模型进行网格化处理，所述的网格化处理是按照线网格、面网格、体网格的顺序，将所述三维模型分割成若干个细小的模块，以单个模块为一个计算单元，建立离心泵流道的数学求解模型；

s3：根据生成的离心泵流道数学求解模型进行单个模块的流道计算；

s4：将所述单个模块计算的结果按照网格化的结构组合起来得到流道模型，所述流道模型包括流道内部流场图形和压力分布、叶轮扭矩、温度分布；

s5：通过仿真技术检验所述流道模型，根据检验结果调整所述流道模型；

s6：确定所述流道模型。

进一步地，将所述离心泵的三维模型进行网格化处理，其网格化的精细度是根据所述三维模型中流道不同位置的几何体复杂程度和流体的工况条件来决定，当所述几何体存在弯曲不规则的结构，所述网格化的精细度越高；当所述流体的工况温度越高，所述网格化的精细度越高。

更进一步地，所述根据生成的离心泵流道数学求解模型进行单个模块的流道计算；在具体的流道计算中，需设置边界条件，所述边界条件包括所述三维模型中的流道壁面、速度进口、自由出流进口与出口、交互面、流体，将叶轮区域的流体设置为转动，旋转轴方向使用右手螺旋准则。

更进一步地，所述检验结果包括流道的温度分布图、静压分布图、叶轮扭矩、泵的出力效率。

更进一步地，所述交互面是指不同介质之间的接触面，具体为流道与流体之间的交互面。

一种离心泵流道设计系统，包括如下几部分：

第一部分：以所需离心泵的二维图为基础，利用三维制图工具建立所述离心泵的三维模型；所述离心泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；

第二部分：将所述离心泵的三维模型进行网格化处理，所述的网格化处理是按照线网格、面网格、体网格的顺序，将所述三维模型分割成若干个细小的模块，以单个模块为一个计算单元，建立离心泵流道的数学求解模型；

第三部分：根据生成的离心泵流道数学求解模型进行单个模块的流道计算；

第四部分：将所述单个模块计算的结果按照网格化的结构组合起来得到流道模型，所述流道模型包括流道内部流场图形和压力分布、叶轮扭矩、温度分布；

第五部分：通过仿真技术检验所述流道模型，根据检验结果调整所述流道模型；

第六部分：确定所述流道模型。

进一步地，将所述离心泵的三维模型进行网格化处理，其网格化的精细度是根据所述三维模型中流道不同位置的几何体复杂程度和流体的工况条件来决定，所述几何体存在弯曲不规则的结构，所述网格化的精细度越高；所述流体的工况温度越高，所述网格化的精细度越高。

更进一步地，所述根据生成的离心泵流道数学求解模型进行单个模块的流道计算；在具体的流道计算中，需设置边界条件，所述边界条件包括所述三维模型中的流道壁面、速度进口、自由出流进口与出口、交互面、流体，将叶轮区域的流体设置为转动，旋转轴方向使用右手螺旋准则。

更进一步地，所述交互面是指不同介质之间的接触面，具体为流道与流体之间的交互面。

更进一步地，所述检验结果包括流道的温度分布图、静压分布图、叶轮扭矩、泵的出力效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种离心泵流道设计方法及系统，根据离心泵的二维图构建三维图模型，并将三维模型网格化处理，通过设置适应实际运行工况的参数进行流道计算，其流道模型跟贴近实际，能有效提升泵的工作效率。从针对性设置流道壁面、速度进口、自由出流进口与出口、交互面，根据实际选择流体介质，建立流道的三维模型，到仿真验证，本发明的设计方法重复性好，避免了以理论和经验设计结合的设计方法导致的误差。

附图说明

图1为流道附面层的示意图。

图2为离心泵传送热水时流道出口的附面层的示意图。

图3为本发明离心泵流道设计方法的流程图。

图4为本发明离心泵流道设计系统的结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

离心泵在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。于是，旋转着的叶轮就连续不断地吸入和排出液体。

如图1所示，本实施例的流体为热水，本发明提供一种离心泵流道设计方法，包括如下步骤：

s1：以所需离心泵的二维图为基础，利用三维制图工具建立所述离心泵的三维模型；所述离心泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；

s2：将所述离心泵的三维模型进行网格化处理，所述的网格化处理是按照线网格、面网格、体网格的顺序，将所述三维模型分割成若干个细小的模块，以单个模块为一个计算单元，建立离心泵流道的数学求解模型；

s3：根据生成的离心泵流道数学求解模型进行单个模块的流道计算；

s4：将所述单个模块计算的结果按照网格化的结构组合起来得到流道模型，所述流道模型包括流道内部流场图形和压力分布、叶轮扭矩、温度分布；

s5：通过仿真技术检验所述流道模型，根据检验结果调整所述流道模型；

s6：确定所述流道模型。

具体地，采用solidworks进行所述离心泵的三维建模，建模结果即为三维图。

具体地，将所述离心泵的三维模型进行网格化处理，其网格化的精细度是根据所述三维模型中流道不同位置的几何体复杂程度和流体的工况条件来决定，当所述几何体存在弯曲不规则的结构，所述网格化的精细度越高；当所述流体的工况温度越高，所述网格化的精细度越高。具体采用ansys软件中的turbogrid的高效网格划分工具自动划分结构化网格，本发明采用线网格、面网格、体网格的顺序，这样可以人为控制网格质量，如果直接生成体网格，容易出现网格质量不高的情况，尤其当几何体较复杂或存在尖角、小面的时候。绘制完成后检查网格质量，一般用于计算，网格质量不要高于0.9，越低越好。

在ansys软件中进行网格化处理，网格处理的效果，可近似理解为“格物致知”，就是把三维图形分割成若干个细小的模块，每个细小的模块单元的运动形态单一，能量分布格局简单，针对每个细小的模块进行计算处理，计算精度高。

具体地，根据生成的离心泵流道数学求解模型进行单个模块的流道计算；需设置边界条件，所述边界条件包括所述三维模型中的流道壁面、速度进口、自由出流进口与出口、交互面、流体，将叶轮区域的流体设置为转动，旋转轴方向使用右手螺旋准则。这里的流道壁面也就是三维模型里面的流道，流体将在壁面中进行流动。速度进口(velocity-inlet)、自由出流(outflow)进口与出口参数与设计要求有关，一般都作为常数处理。交互面(interface)有几种，一般来说就是不同介质之间的接触面，比如流道与流体之间的交互面；流体(fluid)在本实施中，流体是热水。

具体地，通过仿真技术检验所述流道模型，根据检验结果调整所述流道模型；按照常规进行三维建模、网格化、数值模拟、结果分析，本实施例的流体为热水，在结果分析中，需要分析温度分布图、静压分布图，核实进口、出口压力，核实叶轮扭矩，核实泵的出力要求。

具体再进行热力分析：

离心式热泵的热传导有以下几种模式，泵的内部主要以对流传热为主。引起流动的原因有：

自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般运动速率u较小，对流传热系数α也较小。

强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般运动速率u较大，故对流传热系数α较大。

层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。

湍流：质点充分混合且层流底层变薄，对流传热系数α较大，

从离心泵的结构分析来看，在流道内形成强制对流，强制对流的传热系数较大，受热均匀。因此在流道内的层流部分，受热均匀，热传导效果良好，温度均匀。

在流道靠近叶轮壁的位置，即附着层，存在薄壁热传导的效应。

薄壁热传导分析：

层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。

湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致(热阻小)，传热主要以对流方式进行。

过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。质点混合、分子运动共同作用，温度变化平缓。

在流道靠近叶轮壁的位置，存在薄壁热传导的效应，通过薄壁热传导分析，可以看出热水在靠近流道薄壁时的变化，因此能够看出附着层的分离效果。随着温度的变化和压力的变化，就能推导出附着层在什么位置开始发生分离效果。以便精确地确定所述流道模型。

一种离心泵流道设计系统，包括如下几部分：

第一部分：以所需离心泵的二维图为基础，利用三维制图工具建立所述离心泵的三维模型；所述离心泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；

第二部分：将所述离心泵的三维模型进行网格化处理，所述的网格化处理是按照线网格、面网格、体网格的顺序，将所述三维图形分割成若干个细小的模块，以单个模块为一个计算单元，建立离心泵流道的数学求解模型；其网格化的精细度是根据所述三维模型中流道不同位置的几何体复杂程度和流体的工况条件来决定，所述几何体存在弯曲不规则的结构，所述网格化的精细度越高；所述流体的工况温度越高，所述网格化的精细度越高。

第三部分：根据生成的离心泵流道数学求解模型进行单个模块的流道计算；在具体的流道计算中，需设置边界条件，所述边界条件包括所述三维模型中的流道壁面、速度进口、自由出流进口与出口、交互面、流体，将叶轮区域的流体设置为转动，旋转轴方向使用右手螺旋准则。所述交互面是指不同介质之间的接触面，具体为流道与流体之间的交互面。

第四部分：将所述单个模块计算的结果按照网格化的结构组合起来得到流道模型，所述流道模型包括流道内部流场图形和压力分布、叶轮扭矩、温度分布；

第五部分：通过仿真技术检验所述流道模型，根据检验结果调整所述流道模型；所述检验结果包括流道的温度分布图、静压分布图、叶轮扭矩、泵的出力效率。

第六部分：确定所述流道模型。

利用本发明的流道设计方法对大土河热电有限公司的热网循环泵进行技术改造，泵的运行效率明显提升。在同一个系统中，共投运四台热网循环泵，其中两台热网循环泵按照本发明的方法进行改造，另两台保持原状。改造后的热网循环泵运行效率明显提高。