基于CFturbo的離心式吸魚泵設(shè)計(jì)

劉 平，林禮群，徐志強(qiáng)，諶志新

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著漁業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，對(duì)于漁獲水產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的要求都在不斷提高，因此，保證水產(chǎn)養(yǎng)殖和海洋捕撈生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中漁獲物的成活率和無(wú)損率是漁業(yè)生產(chǎn)所必須面對(duì)的重要問題[1-3]。解決此問題的重要途徑就是不斷提高漁業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化、機(jī)械化和智能化水平，盡量減少漁業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中因落后的生產(chǎn)技術(shù)、繁復(fù)的操作等因素造成的生產(chǎn)損耗。吸魚泵作為大水面網(wǎng)箱養(yǎng)殖、工廠化養(yǎng)殖和海洋捕撈生產(chǎn)作業(yè)中的重要設(shè)備，無(wú)論是水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中魚類的換池、分級(jí)、放養(yǎng)和起捕，還是漁業(yè)捕撈生產(chǎn)中的漁獲起捕、分級(jí)、轉(zhuǎn)運(yùn)，均要求對(duì)魚體無(wú)任何損傷[4-6]。國(guó)外早在20世紀(jì)50年代就開始開發(fā)研制吸魚泵，到現(xiàn)今高效吸魚泵的發(fā)展已經(jīng)極為成熟，規(guī)格各異、種類繁多；吸魚泵在中國(guó)的使用起步較晚，急需大力發(fā)展。目前在捕撈和養(yǎng)殖行業(yè)使用最多的是真空吸魚泵和離心式吸魚泵。

本設(shè)計(jì)針對(duì)離心式吸魚泵葉輪快速設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行分析。利用離心式吸魚泵實(shí)現(xiàn)活魚輸送，其葉輪結(jié)構(gòu)與普通離心泵葉輪有著很大的區(qū)別[7-10]，例如日本共榮造機(jī)制造的旋轉(zhuǎn)式無(wú)葉片活魚吸魚泵[11]，其口徑從75 mm到250 mm，為保護(hù)活魚在經(jīng)過(guò)葉輪的過(guò)程中減少損傷，需選定適當(dāng)流速，以超過(guò)魚逆流而逃的速度為宜，其效率比其他類型的泵低得多。高效率泵的葉輪形式不適合活魚輸送，即流速低、損傷少，流速高、效率高。最大提升效率與盡可能減少漁獲損傷是吸魚泵設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容。針對(duì)吸魚泵葉輪設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，以CFturbo設(shè)計(jì)8英寸吸魚泵為例，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件分析，設(shè)計(jì)模型并驗(yàn)證其可行性。

1 離心泵設(shè)計(jì)

采用CFturbo進(jìn)行離心泵設(shè)計(jì)。CFturbo是一款專業(yè)用于壓縮機(jī)、離心泵葉輪及蝸殼的設(shè)計(jì)軟件，是由一家德國(guó)專業(yè)從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械研究設(shè)計(jì)的公司開發(fā)[12]。CFturbo設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)單快捷，從開始界面選擇所要設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械種類，然后根據(jù)設(shè)計(jì)需求輸入流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速以及流體介質(zhì)等主要參數(shù)軟件，根據(jù)內(nèi)置經(jīng)驗(yàn)函數(shù)和計(jì)算方程自動(dòng)生成旋轉(zhuǎn)機(jī)械的幾何尺寸和外形特征，用戶根據(jù)初步生成的模型進(jìn)行自定義修改完成機(jī)械設(shè)計(jì)。以吸魚泵為例，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

全局參數(shù)設(shè)置 創(chuàng)建新的工程項(xiàng)目并選擇Pump離心泵設(shè)計(jì)，在全局參數(shù)設(shè)置中定義設(shè)計(jì)模型額定設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，輸入吸魚泵設(shè)計(jì)流量、揚(yáng)程和葉輪轉(zhuǎn)速，并在通用設(shè)置中定義流體介質(zhì)以及葉輪轉(zhuǎn)向、機(jī)械效率等參數(shù)，確定流體進(jìn)入葉輪入口條件。CFturbo通過(guò)內(nèi)置函數(shù)自動(dòng)求解計(jì)算出吸魚泵葉輪的基本尺寸和幾何模型。

葉輪幾何模型參數(shù)化設(shè)計(jì) 根據(jù)額定設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算出葉輪幾何模型和尺寸，對(duì)于默認(rèn)計(jì)算模型，其參數(shù)可以按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行葉輪模型尺寸參數(shù)的修改，諸如葉輪的進(jìn)出口直徑和進(jìn)出口寬度、輪轂直徑等重要參數(shù)。

葉輪子午面幾何尺寸設(shè)計(jì) 根據(jù)葉輪幾何尺寸的計(jì)算以及修改結(jié)果，軟件自動(dòng)繪制出葉輪流道子午面的幾何圖形，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)需求可以自行調(diào)整和修改子午面幾何線型和參數(shù)，通過(guò)觀察界面上顯示的實(shí)時(shí)流道過(guò)流面面積、曲率變化等信息，找到適合設(shè)計(jì)要求的參數(shù)。

葉輪葉片設(shè)計(jì) 葉輪子午面設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入葉片設(shè)計(jì)模塊，通過(guò)葉片模型形式的選擇，對(duì)進(jìn)出口流體液流角進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但能夠使用軟件自帶默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還能夠自定義各種參數(shù)進(jìn)行模型修改，以滿足設(shè)計(jì)需求。葉輪葉片形式、數(shù)量和液流角設(shè)計(jì)完畢后需要對(duì)葉片中心線曲率進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)曲線控制點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)修改葉片弦長(zhǎng)、葉片不同位置的液流角以及過(guò)流面面積等。最后對(duì)葉片厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足葉輪應(yīng)力、磨損等要求。

模型剪切 完成葉輪模型設(shè)計(jì)后，軟件默認(rèn)得到葉輪模型固體域和流道流體域，通過(guò)剪切操作，將固體域和流體域分開，以方便后續(xù)葉輪應(yīng)力分析和流體分析等操作。剪切操作完畢后即可選取所需要的部分進(jìn)行導(dǎo)出，保存成所需格式用于CAD/CAE/CFD模塊中。

2 吸魚泵設(shè)計(jì)

2.1 吸魚泵性能參數(shù)設(shè)定

以8英寸吸魚泵為設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)進(jìn)行吸魚泵設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的吸魚泵系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定：流量320 t/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程9 m，轉(zhuǎn)速700 r/min。由于其功能要求的特殊性，對(duì)離心式吸魚泵的效率不做要求，最大限度做到以功能實(shí)現(xiàn)為主，兼顧效率。為保證吸魚泵工作時(shí)漁獲無(wú)損或最小損傷，必須增大流體通道，同時(shí)，為滿足葉輪平衡、降低制造難度，選擇雙流道葉輪進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。以此條件在CFTurbo中選擇設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)所選設(shè)計(jì)模塊，軟件根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和該模塊經(jīng)驗(yàn)函數(shù)計(jì)算出葉輪的進(jìn)出口直徑和進(jìn)出口寬度以及葉片角度等數(shù)值，根據(jù)8英寸吸魚泵初始參數(shù)計(jì)算，得到葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)為：葉片數(shù)量2片，葉輪入口直徑220 mm，葉輪直徑480 mm，出口寬度110 mm，入口安裝角度7.7°，出口安裝角度10°，軸功率11.8 kW。

根據(jù)CFTrubo軟件設(shè)計(jì)提示輸入上述參數(shù)值，并結(jié)合軟件計(jì)算結(jié)果按設(shè)計(jì)要求修改相關(guān)參數(shù)，軟件自動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整生成葉輪軸面投影圖，經(jīng)過(guò)基本參數(shù)的修正和葉輪子午面流道設(shè)計(jì)，最終得到圖1。

圖1 葉輪子午面軸面投影圖

2.2 吸魚泵葉輪模型建模

葉輪子午面設(shè)計(jì)完畢后，選擇葉輪葉片形式為雙葉輪，根據(jù)軟件默認(rèn)計(jì)算所得到的進(jìn)出口安裝角數(shù)值進(jìn)行角度修正，使葉片過(guò)流速度變化更加柔和，避免和減少活體輸送過(guò)程中因速度變化太大造成活體對(duì)葉輪的撞擊和摩擦。完成葉片中心線的確認(rèn)后對(duì)葉片進(jìn)行厚度設(shè)計(jì)，通過(guò)控制點(diǎn)調(diào)整好葉片厚度后對(duì)葉片頭部進(jìn)行磨圓和葉片尾部剪切，完成葉輪的設(shè)計(jì)。

2.3 吸魚泵葉輪模型輸出

葉輪設(shè)計(jì)完畢后，將默認(rèn)設(shè)計(jì)葉片區(qū)域和流體區(qū)域劃分開，并對(duì)固態(tài)域和流體域使用剪切操作；設(shè)置剪切操作葉輪外圓附加的流體延伸區(qū)域數(shù)值，以方便后續(xù)流體動(dòng)力學(xué)分析；設(shè)置葉輪模型的輸出精度，最后進(jìn)行剪切操作，選擇Solid trimming進(jìn)行模型剪切，由此完成所有葉輪設(shè)計(jì)步驟。完成模型剪切后，葉輪葉片和流體域的圖形顯示如圖2所示；將模型直接導(dǎo)出成.stp或者.igs等格式為ANSYS fluent或者CFX，為流體動(dòng)力學(xué)軟件分析所用。

圖2 葉輪葉片及流體模型

3 吸魚泵流體分析

3.1 物理模型和流體域?qū)?/h3>

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)利用CFTurbo軟件設(shè)計(jì)吸魚泵(圖3)，將物理模型和流體域模型導(dǎo)出至流體分析軟件PUMPLinx中進(jìn)行流體分析，通過(guò)CFTurbo的CAE接口將模型需要分析的部分導(dǎo)入流體分析軟件中，CAE接口能夠?qū)④浖O(shè)計(jì)過(guò)程中的輸入輸出值作為參數(shù)，智能化地導(dǎo)入到流體分析軟件PUMPLinx中。

圖3 吸魚泵三維圖

將吸魚泵流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將實(shí)體模型按三維網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分。根據(jù)網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性原則[13-15]，理論上網(wǎng)格密度及精細(xì)度與誤差成反比，與求解計(jì)算時(shí)間成正比，在計(jì)算機(jī)條件可行范圍內(nèi)盡量提高網(wǎng)格精細(xì)度，通過(guò)軟件將導(dǎo)入流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Interior Volumns網(wǎng)格劃分模式生成封閉幾何體內(nèi)部網(wǎng)格(圖4)，設(shè)置其最大單元網(wǎng)格尺寸為0.05，最小為0.001，面網(wǎng)格尺寸為0.025，網(wǎng)格數(shù)為144 157，面元數(shù)為571 785，其節(jié)點(diǎn)數(shù)為248 790。設(shè)定葉輪進(jìn)出口與蝸殼進(jìn)出口面，并將其連接面進(jìn)行交互設(shè)定，按照設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定葉輪旋轉(zhuǎn)速度和方向，其他面設(shè)定為固定面，完成吸魚泵流體分析前處理工作。

圖4 吸魚泵網(wǎng)格劃分圖

3.2 吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)模擬

PUMPLinx采用全空化模型(Full Cavitation Model)[16-18]，該模型基于兩相流的模型思想，用Rayleigh-plesset 方程求解氣泡變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，該模型經(jīng)歷了真實(shí)應(yīng)用的測(cè)驗(yàn)和驗(yàn)證，能可靠地模擬各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流場(chǎng)數(shù)值。吸魚泵網(wǎng)格劃分完畢后進(jìn)行模型數(shù)值模擬計(jì)算的參數(shù)設(shè)定，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要調(diào)整進(jìn)出口流量、轉(zhuǎn)速等信息，設(shè)定流體介質(zhì)為水，其流體流動(dòng)設(shè)定為不可壓縮湍流，設(shè)置泵殼部分為無(wú)滑移壁面，葉輪部分流體設(shè)置為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。本次模擬采用吸魚泵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)入，葉輪轉(zhuǎn)速為700 r/min，出口流量為320 t/h。模擬計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模擬，收斂條件設(shè)置為0.001，完畢后采用500次迭代計(jì)算。

3.3 流場(chǎng)分析

參數(shù)設(shè)定完畢后對(duì)吸魚泵進(jìn)行流體分析，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果收斂，根據(jù)計(jì)算結(jié)果模擬流場(chǎng)流線(圖5)，根據(jù)流線圖可得液體從入口吸入后經(jīng)葉輪加速，流體在葉輪流道上速度達(dá)到最大，經(jīng)葉輪將液體高速甩出后，在泵殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，最后從出口流出，流體速度上無(wú)明顯跳躍突變，由葉輪加速后液體離開葉輪流道后速度遞減，內(nèi)部無(wú)旋渦渦流產(chǎn)生，符合離心式吸魚泵內(nèi)部流體變化規(guī)律。同時(shí)，隔舌處分流平滑，無(wú)旋渦等不利流線形成，能夠最大限度保護(hù)活體避免尖銳物刮傷和撞擊，降低漁獲的損傷率。根據(jù)吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布圖(圖6)可知，流道內(nèi)部壓強(qiáng)由入口經(jīng)葉輪流道到出口，壓力逐漸增大，無(wú)突變壓力，符合離心式葉輪泵的內(nèi)部流場(chǎng)壓力規(guī)律。

圖5 吸魚泵內(nèi)部流線圖

圖6 吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布圖

4 吸魚泵性能預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

揚(yáng)程是泵所抽送的單位重量液體從泵入口處到泵出口處能量的增值，單位重量液體的能量在水力學(xué)中稱為水頭，通常由壓力水頭、速度水頭和位置水頭z(m)組成[19-20]，即

(1)

(2)

因此可得揚(yáng)程

(3)

式中：Pd、Ps— 泵出口、進(jìn)口處液體的靜壓力；vd、vs— 泵出口、進(jìn)口處液體的速度；Zd、Zs— 泵出口、進(jìn)口到測(cè)量基準(zhǔn)面的距離。

根據(jù)分析結(jié)果可知進(jìn)出口流量Q=321.552 m3/h；進(jìn)出口壓力Pd=189 687 Pa、Ps=986 40.7 Pa、進(jìn)出口速度vd=2.843 m/s、vs=2.35 m/s。此處吸魚泵安裝高度近乎相同，故位置水頭忽略不計(jì)，根據(jù)揚(yáng)程公式可計(jì)算得到揚(yáng)程H=9.415 m。

圖7可知，吸魚泵揚(yáng)程在設(shè)定流量條件下通過(guò)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)后揚(yáng)程約為9.3 m，與流體軟件分析結(jié)果近似，由此證明，基于CFTurbo的吸魚泵設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，且經(jīng)過(guò)軟件優(yōu)化調(diào)整后在額定轉(zhuǎn)速、流量條件下其揚(yáng)程比設(shè)計(jì)要求更優(yōu)。

圖7 CFTurbo設(shè)計(jì)吸魚泵性能預(yù)測(cè)

5 結(jié)論

利用CFTurbo軟件設(shè)計(jì)了離心式吸魚泵，實(shí)現(xiàn)了吸魚泵的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以直觀地通過(guò)軟件進(jìn)行三維建模并調(diào)整模型以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還能直接預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的吸魚泵性能，配合CFD軟件進(jìn)行流體分析仿真，以達(dá)到吸魚泵產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)兼優(yōu)化。以8英寸吸魚泵為例，驗(yàn)證了基于CFTurbo的吸魚泵設(shè)計(jì)和仿真，為吸魚泵設(shè)計(jì)提供了一種快速建模和優(yōu)化的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。