基于ANSYS CFX旋涡泵的数值模拟

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1 ANSYS CFX软件介绍随着 CFD技术的发展，利用 CFD软件来研究流体机械的内部流场 已经逐渐成为了-种趋势，目前使用比较广泛的CFD分析软件有ANSYSCFX和 Fluent。ANSYS CFX是全球第-个通过SO9001质量认证的大型商业 CFD软件，是英国AEA Technology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的 CFX-直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着 CFD技术的不断发展。目前，CFX应用已经遍及航空航天、旋转机械、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理等各个领域。

2 旋涡泵的工作特点旋涡泵结构简单，流量小，扬程高，广泛应用于国民经济的各个领域中。旋涡泵的内部流动比较复杂，它是带有旋涡运动的三维不可压湍流流动，所以效率比较低。通常采用模型试样法或者经验数值的方法，很难对旋涡泵的内部流动进行定量分析。由于数百个模型的试验需要花费大量的人力物力进行制作，故目前国外采用 CFD对流体进行数值模拟已经比较普遍，国内虽然应用的相对较少但也逐渐发展成为-种趋势，所以本文采用基于 ANSYS CFX的旋涡泵数值模拟是-种行之有效的方法。

3 内部流场的数值模拟3.1 研究内容作者简介：朱挺辉1988-，陈全 1989-，陈金松f1988-1，陈瑞光1976-，男，助理工程师，研究方向：泵数值模拟。

本文研究的内容是在保持流道见图 1及叶轮尺寸不变的前提下，通过改变叶轮叶片的形状见图2，来研究其流场的内部流动和性能的变化情况，从而找到-种相对更佳的叶片形状来改善该旋涡泵的性能，提高该旋涡泵的效率。

旋转方向o oO o图1 流道尺寸 图 2 叶片形状3.2 泵流动区域三维建模与网格划分旋涡泵内部运动的流体可以分成两种类型，- 种在流道区域混合并流动，为相对静止部分，另-种随着叶轮高速运动，在叶片间做旋涡运动并多次进 出流道，为旋转部分，基于这点采用solidworks对泵流体区域进行三维建模见图3a。

将建好的模型保存为 STEP格式，之后将模型导入 ANSYS CFX自带的CEM-CFD对模型进行网格划分，鉴于模型较为复杂，采用适应性更好的非结构化四面体网格对模型进行网格划分，划分结果如图3b所示。

3-3 边界条件以及求解器的设置旋涡泵 内部模型的边界条件可分为进 口边界、出口边界以及固壁边界。本文将进口边界设为进口质量流mass flow rate，出口边界采用开口机电技术 2013年1O月a三维模型 b模型网格划分图3 三维建模及网格划分压力设置opening，ANSYS CFX提供了多种固壁耦合 的处理方法 ，本文采用 比较普遍 的使用interface实现固壁边界的连接，基于水泵铸件的表面粗糙度，采取粗糙壁面Rough wal1，其大小设定为 O.05mm。

3.4 湍流模型的旋转湍流由流体在流动区域内随时间与空间的波动组成，是-个三维、非稳态且具有较大规模的复杂过程。流体的性质对湍流形式有很大的影响，当流体惯性力相对黏性力不可忽略时，湍流就会发生，湍流模型的选择对-次成功的模拟是非常重要的，采用基于雷诺时均方程的RNG k-e湍流模型，广泛应用于绝大多数的工程模拟中。

4 旋涡泵流场模拟结果分析4.1 数值模拟与实物实测结果对比首先要做的工作是验证数值模拟的正确性。

以现有产品中径向叶片为例，在不同工况下的模拟结果与实物试验的数据对比如表 1所示。

表1 模拟结果对比从表 1中可以看出，数值模拟的扬程要稍大于实物实测，效率接近，结果相差不大，说明了数值模拟是准确的，模拟的结果是可以作为分析参考的。

4.2 不同叶片形状的外特性曲线效率计算方法如下：pgQH/Mo式中，CO为叶轮旋转角速度，co2nn/60； M为叶轮转矩，当模拟收敛完成后可直接由ANSYS CFX中读取；P为清水密度，p998 kg/m3；g为重力加速度，g9.8 kg/s 。

分别计算径向、前倾、后倾、前圆弧转角、全圆弧转角在流量 Q0.3 m /h、0.6 m3/h、0.9 m3/h、1.2 m3/h、1.5 l13/l这 5种不同工况下的性能变化。

不同叶片的性能曲线如图4所示，最大效率与最大扬程数值见表 2所示。

州 吾∞ 25∞ 151o5o鬟 ∞2s∞ 151O5o 、 、、 、 、、 o.o o.5 1.o 1.5 2.o镛3，hq- 、 护 葛、o.O o. 1.o 1.6圈图4 特性曲线表 2 最大效率与最大扬程从图4及表 2中可以看出全圆弧叶片性能最好，效率达到了27.85%，扬程也最大；前圆弧转角叶片性能稍好于径向叶片，但相对全圆弧叶片性能稍差；后倾叶片和前倾叶片性能都比较差。

相对后倾叶片和前倾叶片而言，径向叶片对旋涡泵的内部流场是-种比较好的约束，也是目前普遍所采用的叶片形状。

4-3 叶片流场分析第 5期 胡国良 等：基于 PWM控制技术的开关电源设计及仿真分析 6580舯 o200 O出廿瑚 瑚 。 。0o2 o06 oDB时 口1s o1 。o1 们。 们。 o2图8 输出200Hz正弦波的仿真结果5 结束语本文设计的基于 PWM 控制技术的开关电源可输出多种波形正弦波、方波、锯齿波等，同时能对其输出电压幅值进行较好的控制，能在-定程度上满足电子设备的需求。