基于PERA SIM的水泵流场仿真分析

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。

关键词：水泵；MRF；扬程特性曲线；效率特性曲线

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。

2.1 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。

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，并与某主流流体仿真软件进行对比。

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；

图 2 几何导入窗口

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】；

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；

图 5 创建面属性面板

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；

图 7 隐藏面后示意图

图 8 几何删除属性面板

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：

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：

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：

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】；

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；

             

             

             

           

           

 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。

图 15 生成的体网格

图 16 网格切面

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。

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。

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。

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。

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】。

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。

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；

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。

图 25 计算设置

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。

图 26 压力分布图

图 27 叶轮表面压力

图 28 迹线图

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。

图 30 计算结果对比

图 31 流量扬程曲线对比图

图 32 流量效率曲线对比图

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。