基于ANSYS多場耦合數(shù)值分析的高溫磁力泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真

摘 "要：該研究圍繞離心式葉片泵和磁力泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升展開，采用ANSYS軟件進行多場耦合數(shù)值分析，探討高溫工況下泵體的優(yōu)化設(shè)計。首先，分析離心磁力泵的工作原理，指出傳統(tǒng)離心泵在處理高腐蝕性和易揮發(fā)液體時存在的泄漏問題。其次，通過優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)和磁力傳動效率，設(shè)計具有改進葉片角度和圓弧倒鈍處理的三維模型。最后，采用流固耦合仿真，研究液體流動與泵體結(jié)構(gòu)之間的相互作用。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的泵體在流體動能損失和應(yīng)力集中方面均有顯著改善，增強整體運行效率和穩(wěn)定性。研究結(jié)果為高溫磁力泵的工程應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)與實踐參考。

關(guān)鍵詞：離心磁力泵；多場耦合；ANSYS；高溫工況；流固耦合仿真

中圖分類號：TH3 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0071-04

Abstract： This study focuses on the structural optimization and performance improvement of centrifugal vane pumps and magnetic pumps. ANSYS software is used for multi field coupled numerical analysis to explore the optimization design of pump bodies under high temperature conditions. Firstly， the working principle of centrifugal magnetic pumps was analyzed， and the leakage problem of traditional centrifugal pumps in handling highly corrosive and volatile liquids was pointed out. By optimizing the impeller structure and magnetic transmission efficiency， a three-dimensional model with improved blade angles and rounded blunting treatment was designed. The interaction between liquid flow and pump structure was studied using fluid structure coupling simulation. The results show that the optimized pump body has significantly improved fluid kinetic energy loss and stress concentration， enhancing overall operational efficiency and stability. The research results provide important theoretical basis and practical reference for the engineering application of high-temperature magnetic pumps.

Keywords： centrifugal magnetic pump; multi-field coupling; ANSYS; high temperature working condition; fluid-solid coupling simulation

離心式葉片泵和磁力泵是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用的流體輸送設(shè)備，二者在石油化工、制藥、食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，承擔(dān)著重要的輸送任務(wù)[1]。離心泵依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)液體的高效輸送[2]，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，適用于大量流體的連續(xù)輸送。然而，隨著工藝條件日益復(fù)雜，傳統(tǒng)離心泵在輸送高腐蝕性、易揮發(fā)液體時，容易因機械密封失效而引發(fā)泄漏問題，進而導(dǎo)致環(huán)境污染和安全隱患。磁力泵作為一種新型無泄漏泵，通過磁力耦合傳動，實現(xiàn)了工作介質(zhì)與外部環(huán)境的完全隔離，解決了傳統(tǒng)泵體密封材料老化或損壞所引發(fā)的泄漏問題[3]。因此，磁力泵在高腐蝕、高危險性工況下的應(yīng)用越來越廣泛。然而，當前離心磁力泵在高溫、高壓及復(fù)雜工況下的工作效率和穩(wěn)定性仍有提升的空間，尤其是針對泵體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和磁力傳動效率的提升，仍然是當前研究的熱點和難點。為此，研究離心磁力泵的性能提升具有重要的工程應(yīng)用價值與學(xué)術(shù)意義。

近年來，隨著計算機輔助設(shè)計和仿真技術(shù)的發(fā)展，泵體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能分析得到了極大的推動?；谟嬎懔黧w動力學(xué)和有限元分析的多場耦合技術(shù)，研究者能夠?qū)Ρ脙?nèi)的流體流動、壓力分布以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行精確的模擬，從而優(yōu)化泵的幾何結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)。目前，關(guān)于離心泵和磁力泵的研究主要集中在以下幾個方面：第一，通過優(yōu)化葉輪、流道等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，減少水力損失并提高泵的運行效率；第二，在高溫或復(fù)雜介質(zhì)下，降低磁力傳動損失和渦流效應(yīng)，來增強磁力驅(qū)動的傳動效率；第三，通過改進泵的材料和密封結(jié)構(gòu)，延長其使用壽命并提升運行可靠性。盡管上述的研究在一定程度上取得了進展，但對于高工況條件下泵的性能提升，尤其是磁力與流體之間的耦合優(yōu)化，仍需進一步探索。

1 "離心式葉片泵的基本設(shè)計

1.1 "離心磁力泵工作原理

離心磁力泵的工作原理是通過磁力驅(qū)動實現(xiàn)非接觸式傳動，避免了傳統(tǒng)機械泵中機械密封的直接接觸和摩擦。具體而言，磁力泵通過安裝在泵外的主動磁性組件與安裝在泵內(nèi)的從動磁性組件實現(xiàn)磁耦合[4]，驅(qū)動泵內(nèi)的葉輪旋轉(zhuǎn)，使液體在高速旋轉(zhuǎn)葉輪的作用下獲得動能，依靠離心力將液體從葉輪出口輸送出去。在此過程中，液體從泵體的進口吸入，經(jīng)過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高速流動，通過流道被輸送到出口，形成連續(xù)的流體輸出。

磁力驅(qū)動與液體流動之間的耦合機制是離心磁力泵的核心特點之一。磁力傳動通過永久磁鐵的相互吸引力來傳遞扭矩，避免了機械密封件與工作介質(zhì)的直接接觸，從而有效防止了有害或危險介質(zhì)的泄漏。然而，磁力傳動過程中存在磁滯損耗、渦流效應(yīng)等能量損失，尤其是在高轉(zhuǎn)速和高溫工況下，這些損失可能會影響泵的整體效率。

1.2 "葉輪結(jié)構(gòu)

葉輪是離心磁力泵的核心部件，其幾何結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)直接影響泵的流體輸送性能和效率[5]。與其他類型泵相比，離心磁力泵的葉輪設(shè)計必須兼顧磁力傳動與液體流動的雙重要求。一般來說，葉輪的外形設(shè)計需要確保液體在泵內(nèi)的流動平穩(wěn)、均勻，減少湍流和旋渦的產(chǎn)生，以降低水力損失。葉輪的幾何參數(shù)，如葉片數(shù)目、葉片角度、葉片厚度和曲率半徑等，均會對泵的揚程、流量和效率產(chǎn)生顯著影響。

與傳統(tǒng)機械泵相比，離心磁力泵在葉輪設(shè)計上還需特別考慮磁力傳動的影響。由于磁耦合傳動需要一定的空間用于磁體的安裝和運轉(zhuǎn)，這可能會增加泵體的整體體積，并對葉輪的幾何設(shè)計產(chǎn)生限制。此外，磁力驅(qū)動系統(tǒng)可能會引入額外的轉(zhuǎn)矩損失，因此葉輪的設(shè)計還需確保泵能夠在較低的能量消耗下完成高效的液體輸送。為此，現(xiàn)代離心磁力泵的葉輪設(shè)計往往結(jié)合流體動力學(xué)仿真技術(shù)，通過CFD模擬分析流體的流動情況，優(yōu)化葉片的角度和曲面，減少流體阻力，確保泵的高效運行和穩(wěn)定性。

2 "離心式葉輪泵模型的建立與分析

2.1 "三維模型概述

2.1.1 "模型建立

本文展示的離心式葉輪泵三維模型設(shè)計包括了葉輪的幾何結(jié)構(gòu)、泵體的內(nèi)部構(gòu)造以及整體的裝配框架。葉輪的設(shè)計采用了多片徑向布置的葉片，這些葉片在高速旋轉(zhuǎn)時能夠有效地將液體向外推送，從而形成離心力驅(qū)動的流動模式。葉輪本身由內(nèi)外兩部分構(gòu)成，其中內(nèi)部為較厚的中心輪轂，外部為環(huán)形的邊緣支撐，這種設(shè)計確保了葉輪的剛性和穩(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2展現(xiàn)了泵體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計高度契合葉輪的尺寸和功能需求，外殼圍繞葉輪形成閉合的流道，確保液體在葉輪驅(qū)動下通過指定路徑完成流動。此外，整體結(jié)構(gòu)中的各組件緊密配合，尤其是葉輪與驅(qū)動軸之間的連接，在高效傳遞旋轉(zhuǎn)動能的同時，減少了能量損失。

圖3展示了離心泵的整體裝配模型，泵體外殼設(shè)計簡潔，驅(qū)動電機與泵體的結(jié)合緊密，確保了整個系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性與可靠性。電機的動力通過傳動軸直接驅(qū)動葉輪，帶動液體流動，泵殼側(cè)面的進出口為液體流動的入口和出口，優(yōu)化了流體的進出路徑，減少了阻力。

2.1.2 "模型優(yōu)化

本設(shè)計在力集中的區(qū)域進行了圓弧倒鈍處理。圓弧過渡的引入，有效減緩了尖銳邊緣的應(yīng)力集中效應(yīng)，使應(yīng)力分布更加均勻。這一優(yōu)化不僅提高了葉輪的抗疲勞性能，同時也增強了泵體的整體強度，從而延長了設(shè)備的使用壽命。其優(yōu)化效果主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）應(yīng)力集中因子減小。在葉輪和泵體的關(guān)鍵連接區(qū)域，尤其是應(yīng)力集中的葉片根部和泵殼進出口位置，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。應(yīng)力集中會導(dǎo)致局部區(qū)域的應(yīng)力大幅升高，從而增加了材料疲勞的可能性。

假設(shè)應(yīng)力集中的位置原本為尖角結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力集中因子Kt可以通過經(jīng)典的應(yīng)力集中公式計算

式中：a為尖角處的缺口深度；r為尖角處的曲率半徑。通過將尖角結(jié)構(gòu)改為圓弧過渡設(shè)計，增大曲率半徑r，可以顯著降低應(yīng)力集中因子Kt。優(yōu)化后的曲率半徑設(shè)為r′，則新的應(yīng)力集中因子Kt′可以通過下式表示

在實際設(shè)計中，通過增大r′，應(yīng)力集中因子Kt′相較于原有設(shè)計明顯降低。例如曲率半徑從原先的0.5 mm增加至2 mm，經(jīng)過相關(guān)參數(shù)驗證后，計算結(jié)果表明應(yīng)力峰值降低了約30%。

2）最大等效應(yīng)力減少。對于葉輪葉片的根部區(qū)域，最大等效應(yīng)力在優(yōu)化前為？滓max，通過優(yōu)化后降至？滓max′。通過下式可以量化應(yīng)力減少的幅度

有限元分析的結(jié)果顯示，在圓弧倒鈍處理后，葉片根部的應(yīng)力峰值減少了20%至35%，大大提升了結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。

3）葉片角度的優(yōu)化。本文對葉輪葉片的進出口角度進行了調(diào)整，進一步提升液體的流動效率。葉片的進口角？茁1和出口角？茁2對液體的流動特性具有重要影響。

流體力學(xué)中的伯努利方程可用于分析葉片角度調(diào)整對流體能量的影響

2.2 "多場耦合仿真工況設(shè)計

本文采用雙向流固耦合方法，耦合流體與結(jié)構(gòu)力學(xué)的相互作用。流體對結(jié)構(gòu)壁面的壓力變化作為載荷施加在結(jié)構(gòu)求解器中，結(jié)構(gòu)變形則反作用于流體仿真，修改流體的邊界條件。耦合時間步長設(shè)定為0.1 s，仿真總時長為10 s。采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，單元大小為1 mm，壁面處設(shè)置細化邊界層網(wǎng)格以提高精度。圖4為確定的分析區(qū)域示意圖。邊界條件則設(shè)置在液體進口與出口區(qū)域。區(qū)域內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)特征是影響液體流動的重要因素。為了真實反映工況條件，進口處設(shè)置了恒定流速及壓力，出口處則保持相對大氣壓力。

2.2.1 "流體區(qū)域參數(shù)

在液壓起重系統(tǒng)的流體仿真中，本文選取了幾何尺寸為長度500 mm、直徑10 mm的圓柱形流道，用以模擬液壓油的流動特性。流體為密度為1 000 kg/m3的水，壁面材料為屈服強度為400 MPa的不銹鋼，安全系數(shù)設(shè)定為1.5，導(dǎo)熱系數(shù)16 W/（m·K）。流道的進口速度設(shè)定為2 m/s，進口壓力為1.2 MPa，出口壓力為101 325 Pa，流體初始溫度為293.15 K。通過計算得出進口處雷諾數(shù)為20 000，屬于典型湍流流動，采用k-ε湍流模型進行仿真，湍流強度為5%，湍流長度尺度設(shè)定為0.05 m，湍流黏性系數(shù)取值為0.09。

2.2.2 "熱傳導(dǎo)仿真邊界條件

為模擬流動過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)，流道壁面設(shè)置為絕熱邊界，即熱通量為0 W/m2，假設(shè)流道與外界無熱量交換。內(nèi)部熱源設(shè)定為500 W，模擬流體內(nèi)部黏性耗散的熱量產(chǎn)生，且均勻分布于流體區(qū)域。流體的進口溫度為293.15 K，外界環(huán)境溫度同樣設(shè)定為293.15 K，以保持系統(tǒng)的熱平衡。

3 "優(yōu)化模型的仿真驗證

經(jīng)過上述的實驗仿真，可得到如圖5與圖6所示的實驗對比效果。其中，圖5為原始結(jié)構(gòu)的仿真效果，圖6為進行圓弧倒鈍優(yōu)化后的仿真效果。

在對比2種結(jié)構(gòu)的流場效果時，原始結(jié)構(gòu)（圖5）顯示出明顯的湍流現(xiàn)象，尤其在流體流經(jīng)葉片后，流線出現(xiàn)多次彎折和紊亂，流體與殼體接觸表面的力達到61 335.05 N，表明在局部區(qū)域存在較高的沖擊力。這種體現(xiàn)集中在線條的集中方面，顯示出流體在接近殼體表面時的較高動能。然而，在進行圓弧倒鈍優(yōu)化后（圖6），流線相對趨于分散，整體流動更為流暢，顯示出湍流現(xiàn)象的減弱。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)減少了流體與殼體接觸時的紊流程度，從而有效降低了沖擊力，接觸力為55 446.79 N，相較于原始設(shè)計有顯著下降。通過這種優(yōu)化設(shè)計，流體的動能損失減小，系統(tǒng)的能效得到提升，同時也避免了由于局部高壓而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞和磨損問題。

4 "結(jié)束語

本研究針對離心式葉片泵與磁力泵在高溫環(huán)境下的性能優(yōu)化進行了系統(tǒng)性分析。通過對泵體結(jié)構(gòu)的精細設(shè)計與改進，顯著提升了泵的運行效率與可靠性。未來的研究可以進一步探討不同工作條件下的優(yōu)化方案，并結(jié)合實際工程應(yīng)用進行實驗驗證，為高溫磁力泵的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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