案例-基于CFX导叶结构优化设计研究
研究背景&意义
泵性能好坏直接影响天然气输送系统的效率，而泵性能主要由内部结构决定。
导叶内水力损失在泵整体损失中占比较大，对导叶结构进行优化，可减少能量损失，提高泵整体性能。
基于现有大流量低温潜液泵，采用模拟和试验的方法，分析结构参数变化对泵性能的影响，达到对泵性能优化目的，对此类泵的设计及优化具有指导意义。
研究对象
大流量低温潜液泵
研究目标-提高工作效率
基本参数
仿真分析-模型建立
网格划分
采用四面体网格、并对进出口进行一定的延长
前处理
•流体：液态甲烷
•湍流模型：SST湍流模型
•边界条件：速度进口，静压出口，无滑移固壁
•动静交界面：Frozen rotor
后处理
•监测泵进出口压力、扭矩等参数
•压力云图、性能曲线图
仿真分析-流场
现象：叶轮内出现回流和漩涡现象，二级叶轮内部漩涡多于一级叶轮。
结果：上述现象导致效率较低，需对叶轮和导叶结构优化以改善流态，提高效率。
现象：导叶内流动不均匀，2所示位置流线较少，二级导叶流动不均匀现象更严重。
结果：不同结构内流态互相影响，需研究导叶与叶轮结构之间的最优匹配。
仿真分析-参数化对比
包角-性能曲线
设计工况下不同包角导叶对应的泵的性能曲线、水力损失率图。
原导叶包角为75°，现设计7种包角方案研究，分别为60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°。
扬程和效率随包角增大先上升后下降，扬程峰值为包角70°时，为379.99m，提高了2.51m；效率峰值为包角80°时，为54.15%，提高了2.01%。
水力损失率随包角增大先减小后增大，包角为80°时，导叶内水力损失率最小，为15.46%，与原导叶相比，降低了1.77%。
包角-导叶的速度矢量分布
导叶进口处出现漩涡和扩散现象，同时在导叶内流速逐渐降低。
小包角下导叶出口与涡壳进口处速度分布集中，出现漩涡，并随包角增大范围逐渐减小，包角为80°时，涡壳处的漩涡消失。
结论：确定80°为导叶包角最优参数。
叶片厚度-性能曲线
设计工况下不同叶片厚度导叶对应的泵的性能曲线、水力损失率图。
原导叶叶片尾缘厚度为32mm，对其进行均匀减薄或加厚，分别为8、14、20、26、38（mm）。
扬程随厚度减小呈上升趋势；效率随厚度减小先上升后小幅度下降，效率峰值为14mm时，为54.15%，提高了0.42%。
水力损失率在叶片尾缘厚度减小到14mm时最小，为15.54%，降低了1.29%。
叶片厚度-导叶的速度矢量分布
叶片尾缘厚度较厚时，流道内流动不均匀的现象较多且明显。
随叶片厚度减薄，导叶内的流动状态稍有好转。
厚度为14mm时流态相对较好。
结论：确定导叶叶片尾缘厚度为14mm为最优结构参数。
叶片数-扬程效率
不同叶轮叶片数下导叶叶片数对泵扬程的效率的影响
原泵叶轮和导叶叶片数为z=6，y=11；分别取z=5、6、7；和y=9、10、11、12、13；进行配合。
扬程主要受叶轮叶片数影响。
效率受叶轮和导叶叶片数的综合影响，z=5时效率先升高后降低，峰值为y=10时为54.25%；z=6时效率下降，y=9时最大为53.85%；z=7时效率先降再升后又下降，峰值为y=11时为53.42%。
效率为主要考虑因素时，叶片数最佳匹配为z=5、y=10。
z=5,不同叶片数-导叶的速度矢量分布
叶轮内流态：y=10、y=12和y=13时，叶轮内部流线均匀分布，流动较好；y=9和y=11时，叶轮内部流动不均匀，出现漩涡。
导叶内流态：随导叶叶片数增加有所好转，y=13时导叶内流动状态最佳。
z=5,y=13时，叶轮和导叶流动状态都最好。
不同叶轮和导叶叶片数匹配下叶轮效率图、水力损失率图
同一叶轮叶片数下，导叶和涡壳总水力损失率随导叶叶片数变化趋势与叶轮效率相反。
当z=5，y=10；z=6，y=10和z=7，y=11三种匹配方案下，导叶和涡壳总水力损失率最小，此时叶轮效率也最高。
结论：以效率作为最优先考虑因素，z=5，y=10为最优叶片数匹配。
总结：
1. 建立低温潜液泵数值模型
对数值模型进行验证，并对原泵流场进行分析，发现泵叶轮内由于漩涡存在，不仅造成导叶内流动不均匀，进而导致泵效率较低。
2. 得到导叶结构最优参数
对导叶不同结构进行研究，并综合分析泵性能曲线、水力损失和导叶内流动状态，得出导叶包角为80°、叶片尾缘厚度为14 mm为导叶最优结构参数。
3. 确定叶轮与导叶最佳叶片数配合
叶轮与导叶的叶片数配合为5和10时，在所选研究范围内叶轮、导叶和涡壳内的流场最好、效率最高且水力损失最小。
以上案例分享只是作为一个简单案例，引导大家对软件功能以及结果的应用及思考角度的拓展。
