基于ANSYS Workbench集成CFturbo参数化设计离心泵.pdf

2023年第3期11小原枝术基于ANSYS Workbench集成 CFturbo参数化设计离心泵李龙辉1张翔傅剑辉余合丰1张益德王海云1吕1（1 利欧集团泵业科技有限公司，杭州310018；2 西华大学，成都610039)摘要：为了提高离心泵的性能预测，降低离心泵产品的研发成本，提出一种基于ANSYSWorkbench平台集成CFturbo参数化设计离心泵的设计方法，该方法联合CFturbo的参数化设计并集成于ANSYSWorkbench平台，运用CFX进行数值仿真计算，再进行DesignExploration响应面优化设计，能够快速设计并优化离心泵叶轮外参数值，形成闭环设计，使设计研发得到快速解决，同时可以有效提升离心泵的水力设计达到节能增效的设计目的。关键词：ANSYSWorkbenchCFturboCFXKDesignExploration参数化设计中图分类号：TH311文献标识码：A离心泵参数化设计是当下设计趋势，其中离心泵水力设计的优劣是评价一款产品的基本准则。传统的一元理论设计扭曲叶片 1-4，在正常研发过程中存在研发周期长、耗时耗力问题，不能达到对产品提出的更高要求做出快速研发、快速成型、快速量产的目的。借助ANSYSWorkbench平台集成CFturbo参数化设计软件，对离心泵进行参数设计，能够使离心泵设计更加合理，国内李嘉等 5 研究了基于改进Bezier曲线的复合叶轮式离心泵参数化设计及性能仿真，得出采用改进Bezier曲线设计的复合叶轮其内部流动更加平稳且更能减小水力损失。袁寿其等 6 结合多年设计经验，并将其与软件结合的方式开发设计出了PCAD参数设计软件，该软件以速度系数法为依托，可快速对离心泵、轴流泵、混流泵等泵参数化设计，输出二维平面图纸与三维模型。赵才甫等 7 基于Kriging模型与NLPQL算法的高比转速离心泵参数化设计，得出经过优化设计后的高比转速离心泵效率相较之前有了一定的提升。张素香等 8 提出了基于CFturbo离心泵扭曲叶轮设计方法的研究，可快速对离心泵叶轮进行参数化设计，操作简单，设计思路清晰，通过单独导出水体进行仿真计算得出其性能满足设计要求。王凯等 9 以Isight为平台，集成Pro/E.Gambit和Flu-ent，实现了离心泵叶片轴面投影图的自动CFD优化分析。金永鑫等 1 0 提出了基于数字化软件系统的离心泵水力部件设计新方法，依托CFturbo设计水力部件、ANSYSCFX仿真分析、UG三维建模，得到了满足设计要求的离心泵。本文将以ANSYSWorkbench为平台集成CFturbo参数化设计软件对离心泵进行参数化设计与数值仿真优化分析，设计思路如图1 所示。1CFturbo参数化设计离心泵水力部件CFturbo以速度系数来设计离心泵水力部件，但该速度系数法的系数与国内统计优秀模型统计的速度系数有一定的区别 1 1-1 2 ，所以在使用的时候单一参照国内经验系数设计的离心泵叶轮外参数作为设计参数是有一定差别的，本文将结合CFturbo中的设计参数来进行参数设计与数值仿真。在AN-SYSWorkbench平台中集成CFturbo参数化设计软件，在CFturbo软件中对离心泵设计完毕后，在ANSYSWorkbench中可直接将离心泵的水体通过参数连接导人Mesh软件中进行网格划分，再导入CFX中进行数值仿真计算，经过DesignExploration响应面优化设计得到优化后的参数，通过其仿真计算在结果中可以查看离心泵的速度流线图、压力云图及其他特性参数。2023年第3期12小原枝术CFturbo网格网格网格CFXSetup几何结构几何结构儿何结构一设置Stator_1 SpaceClain网格网格网格求解Impeler_1 SpaceClaiminimpellervo+out结果Volute_1 SpaceClaimP5ParametersParametersCFXCFturhoParameterSet响应面优化实验设计响应面优化响应面优化图1离心泵参数化设计与数值分析流程图2离心泵参数化仿真设计实例离心泵设计基本参数要求：Q=70 m/hH=58 mn=2950 r/minm=86.44%2.1离心泵主要计算参数根据CFturbo初始计算参数，其叶轮主要计算参数如表1 所示。2.2基于CFturbo设计叶轮水力部件及数值计算通过ANSYSWorkbench平台打开CFturbo，将离心泵设计参数输人，对叶片轴面投影图、进出口安放角、流线包角、叶片厚度及叶片进口形状进行调整，接着确定蜗壳基圆及蜗壳进口宽度等。根据设计流程确定叶轮轴面投影图及叶片进口位置，并检查叶轮流道面积变化，如图2 所示。再对蜗壳第表1离心泵叶轮主要计算参数参数数值叶轮出口直径Dz/mm220叶片出口安放角2/（）21叶轮进口直径D,/mm76叶片出口宽度b2/mm10.4叶片数乙6蜗壳基圆直径D3/mm237叶片包角/（）155.7蜗壳进口宽度b3/mm21120/mml.radial coordinateCross section area8/A/mm110:7.61007.2906.8806.4706.0605.6505.2404.8304.4204.0104romlaxialcoxrdinatel3.6M/MMax/gl250-40-20-1001020304050607080relative merid.lengthlHubMiddleShroundtao102030405060708090100图2叶轮轴面投影图及叶轮流道面积变化VI断面面积进行计算，其流道过流面积变化如图3所示。2.3计算域和网格划分对所有参数设定完毕后，将CFturbo中的离心泵水体进行导出，选择CFturbo菜单栏Project中的Bathmode/optimization。将水体导人ANSYSWork-bench平台中进行下一步网格划分，本次导人Mesh中划分网格，进出口延伸段采用结构化网格，水力1700Area2405TmmJ1600/A/mml20015001400160130012008012012001100804001000160%9004080003604700600402004500-80400300-1202002002400-160100280%0200-100-2001Angle-240mml-40408012016020024028032036040038.9:1119.3100%-160120804004080120160图3蜗壳流道面积变化2023年第3期13小原技术部件采用非结构化网格，经过网格无关计算验证后，其网格数量如表2 所示。2.4计算方法采用ANSYSWorkbench软件对离心泵内部流场进行数值模拟计算，在CFX中采用SSTk端流模型对雷诺时均方程进行求解，计算介质为常温清水，密度为9 9 8 kg/m，采用进口压力、出口质量流量，壁面粗糙度为叶轮6.3m、蜗壳2 5m，无滑移壁面，速度压力耦合采用SIMPLEC算法，导人CFX中计算离心泵额定点工况2.5DOE响应面试验设计在ANSYS Workbench 中使用Design Exploration模块进行响应面实验设计，实验类型采用拉丁超立方体抽样设计，样本类型为CCD采样，根据实验设计共生成8 0 组数据进行优化计算。采样数据分别为叶轮进口直径D。、叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、进口角1、出口角2，输出结果为扬程H、效率n、轴功率P3个参数作为结果依据，如表3所示。2.6实验响应面分析及预测系数评估在实验设计完成后进行响应面分析，响应面类型采用Kriging模型，是一种估计方差最小的无偏估计模型 1 3-1 4，该模型建立的响应目标函数可以直观反映多个变量的交互对输出结果的影响，可以求出各个因数水平的响应值，在此基础上预测响应最优值所对应的最优组合，其响应面精度如图4所示。以扬程H作为目标，各因数交互影响其响应表2离心泵各部件网格划分数量参数数值进口延伸段网格数量2.2万叶轮网格数量58万蜗壳网格数量128万出口延伸段网格数量15万扬程H点1.0效率点轴功率P点0.8-0.60.40.2-0.00.00.20.40.60.81.0设计点观察图4响应面精度评估面模型如图5所示。从图5（a）以叶轮进口直径D与叶轮出口宽度b2交互作用，b取高水平时，扬程H随D。的增大影响缓慢；从图5（b)以叶轮出口直径D，与叶轮出口宽度bz交互作用，bz取高水平时，扬程H随Dz的增大而增大；从图5（c)以叶轮出口角2与叶轮出口宽度b2交互作用，bz取高水平时，扬程H随2的增大而增大。以效率作为目标，各因数交互影响其响应面模型如图6 所示。从图6（a）以叶轮进口直径D与叶轮出口宽度b2交互作用，b2取高水平时，效率随D。的增大而减小；从图6（b）以叶轮出口表3DOE生成实验设计方案实验序号D2/mmi/()2/()D./mmb2/mmH/mn/%P/kW1220.5227.75920.57676.61411.07259.79086.74013.1442217.6826.13919.05775.09511.10857.46386.86812.6143215.8626.46819.55177.05710.64755.40586.79012.1734217.8927.63320.95675.28511.00157.61186.81412.6555220.2226.08921.71579.58911.16159.74486.57213.1606221.9427.96219.39976.80410.09758.30286.36212.8737216.6726.39221.82975.72810.48755.79386.66712.27680221.3327.60821.41177.12010.89559.81686.68813.1582023年第3期14小原枝木扬程H扬程H扬程H59.059.136261.8859.5159.2958.8561.0558.9758.5760.2159.058.6558.56058.3059.3858.558.3358.0258.54H58.0157.7457.7158.057.7057.4656.8857.3857.557.5157.1856.0457.06$5657.0156.9155.2157.0156.7456.6354.3756.425456.556.556.3553.5456.1012.056.012.015.16.71.7821421621811.511.518.1911.3叶轮进口直径D/mm11.011.0叶轮出口角/（）11.010.5叶轮出口直径D/mm22010.52010.57910.022210.0212210.0809.52249.5叶轮出口宽度b/mm叶轮出口宽度b/mm叶轮出口宽度b,/mm(a)HID,-b,(b)HID,-b,(c)HI,-b,图5扬程H各因素的交互作用效率效率效率几86.9287.187.0686.9286.986.8586.9986.986.8686.7987.086.9286.8186.886.7286.986.8486.8186.7686.786.6586.886.7786.7086.5986.786.7086.6586.686.5286.6386.686.6086.586.4586.686.5686.5486.3886.5186.4986.486.5186.4886.3283.4386.4186.386.2586.486-316218286.4-86.38T.32.086.3412.012.086.275.76.717811.518.191叶轮进口直径D/mm11.0叶轮出口角/）11.011.0叶轮出口直径D,/mm82202010.510.510.5222212210.07910.022410.09.5809.59.5叶轮出口宽度b/mm叶轮出口宽度b,/mm叶轮出口宽度b,/mm(a)nlD,-b,(b)nID,-b,(c)nl,-b,图6效率与各因素的交互作用直径D，与叶轮出口宽度bz交互作用，bz取高水平时，效率随D，的增大而减小；从图6（c)以叶轮出口角2与叶轮出口宽度b交互作用，bz取高水平时，效率m随2的增大而减小。通过对比可知，对扬程H影响程度从大到小依次是叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片出口角度以及叶轮进口直径D；对效率m影响程度从大到小依次是叶片出口角度2、叶轮出口宽度b2、叶轮出口直径D2、叶轮进口直径D。3结果与分析通过ANSYSWorkbench响应面MOCA多目标遗传算法分析优化得到优化参数组合，优化后模型效率为8 8.53%，较原始模型效率提升了2.0 9%；扬程为59.8 m，较原始模型扬程提升了2 m，原模型设计参数与优化后模型设计参数对比如表4所示。经过 ANSYS Workbench 中 Design Exploration模块进行响应面优化设计，优化后的模型性能参数不论是扬程还是效率都有了一定的提升，通过减小叶轮出口直径有增大效率的作用，其原因是通过减小叶轮直径来降低圆盘摩擦损失，从而提升效率。优化后模型的轴功率略比原始模型轴功率高，其同流量点轴功率差值最大为0.2 3kW。最终优化结果满足实际要求，其性能曲线对比如图7 所示。表47离心泵设计参数对比离心泵叶轮出口直径叶片出口安放角叶轮进口直径叶片出口宽度蜗壳基圆直径叶片包角蜗壳进口宽度叶片数Z设计参数D2/mm2/()D,/mmb2/mmD3/mm0/()b3/mm原始模型220.021.07610.46237.0155.721优化模型217.620.67511.46234.6162.121上接第1 0 页）152023年第3期小原枝术优化后效率909080-80原模型效率70-70优化后扬程6060%率50原模型扬程504040优化后轴功率30-原模型轴功率3020-2010+10141618202224流量Q/(kg/s)图7优化模型与原始模型性能参数对比4结论基于ANSYSWorkbench联合CFturbo参数化仿真分析，结合DesignExploration响应面优化设计，针对离心泵的主要设计参数对扬程和效率的影响进行了探究和分析，得出以下结论。（1）通过ANSYSWorkbench联合CFturbo进行的参数化设计，并通过DesignExploration响应面优化计算能够处理日常离心泵研发设计的需求；（2）通过本次优化设计，离心泵在优化扬程和效率得到一定的提升，优化后模型效率为88.53%，较原始模型效率提升了2.0 9%；扬程为59.8m，较原始扬程提升了2 m，轴功率在设计工况点，基本一致；（3）通过DesignExploration响应面优化可以直观看出离心泵各个参数对扬程和效率存在复杂的非线性关系，并且反映出各个参数之间对扬程和效率存在交互影响。11刘琦叶轮导叶匹配关系对混流泵压力脉动及结构特性的影响 D镇江：江苏大学，2 0 1 9.12LI Shuo.Vortex Dynamics Analysis of Internal Flow Field ofMixed-Flow Pump under Alford EffectJ.Water,2021,13(24)：357 5-357 5.13 沙毅，侯丽艳基于CFD的潜水轴流泵性能分析及其特性试验 J农业工程学报，2 0 1 2，2 8（2 2：51-57.参考文献1关醒凡现代泵理论与设计 M北京：中国宇航出版社，2011.2 牟介刚，李必祥离心泵设计实用技术 M北京：机械工业出版社，2 0 1 5.3严敬2和b2值对于低比转数叶轮外径的影响 排灌机械，1 9 8 9（3：1 5-2 0.4严敬，严利对美国一最新离心泵叶轮设计资料的分析 J.农业机械学报，2 0 0 4，35（3）：6 5-6 7.5李嘉，韩小宝，李华聪，等基于改进Bezier曲线的复合叶轮式离心泵参数化设计及性能仿真 J推进技术，2 0 2 2，43(7):201009.1-201009.10.6袁寿其，施卫东，刘厚林泵理论与技术 M北京：机械工业出版社，2 0 1 4.7走赵才甫，吴宏飞，赵海涛，等基于Kriging模型与NLPQL算法的高比转数离心泵参数化设计 J排灌机械工程学报，2022,40(7):660-666.8张素香，王承禄，孙铁，等基于CFturbo的离心泵扭曲叶轮设计方法的研究 J流体机械，2 0 1 6，44（5）：56-59.9王凯，刘厚林，袁寿其，等。离心泵叶轮轴面图的全自动CFD优化 J农业工程学报，2 0 1 1，2 7（1 0)：39-43.10金永鑫，宋文武，徐耀刚基于数字化软件系统的离心泵水力部件设计新方法 J中国农村水利水2 0 1 4（1 1）：1 56-159,167.11 VAL S LOBANOFF,R ROSS ROBERT.Centrifugal Pumps:Design&ApplicationM.Houson:Gulf Publication,1994.12JOHANN F CUELICH.Centrifugal PumpsM.Berlin:Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2008.13KLEIJNEN J P C.Kriging metamodeling in simulation:A reviewJ.European Journal of 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