Оптимізація спірального відводу відцентрового насоса засобами чисельного моделювання

Abstract

Розглянуто питання проєктування та оптимізації спірального відводу відцентрового насоса із застосуванням інтегрованого підходу на основі програмного комплексу ANSYS Vista CPD та тривимірного CFD-моделювання. Показано, що геометрія спірального відводу істотно впливає на гідравлічні втрати, розподіл тиску та загальний коефіцієнт корисної дії гідромашини. Традиційні методи проєктування спіральних відводів ґрунтуються на спрощених припущеннях і не враховують складної тривимірної структури течії, що зумовлює необхідність використання чисельних методів. У роботі реалізовано методику, яка передбачає первинне формування базової геометрії у Vista CPD, генерацію сітки в ANSYS TurboGrid та Mesh, а також розрахунок течії у ANSYS CFX із застосуванням моделей турбулентності SST. Для аналізу взаємодії між робочим колесом і спіральним відводом використано підходи Frozen Rotor та Stage. Показано, що метод Stage забезпечує згладжену картину течії і дозволяє визначити інтегральні характеристики (напір, ККД), тоді як Frozen Rotor є ефективним для виявлення локальних відривів і асиметрії потоку. На основі результатів чисельних досліджень виконано дві модифікації геометрії спірального відводу шляхом варіювання радіусів поперечних перерізів. Це дало змогу зменшити зони відриву біля язика та вирівняти поле швидкостей. Порівняння отриманих результатів показало, що запропоновані модифікації дозволяють підвищити напір із 549 до 592,5 м та збільшити ККД з 0,865 до 0 ,893. Т аким чином, поєднання параметричного проєктування у Vista CPD із CFD-оптимізацією у CFX є ефективним підходом для вдосконалення конструкції спіральних відводів відцентрових насосів і забезпечує підвищення їхньої енергоефективності.

The paper discusses designing and optimizing a volute for a centrifugal pump using an integrated approach based on the ANSYS Vista CPD software and three-dimensional CFD modeling. It is shown that the geometry of the volute casing significantly affects hydraulic losses, pressure distribution, and the overall efficiency of the hydraulic machine. Traditional methods of designing volutes are based on simplified assumptions and do not consider the complex three-dimensional flow structure, necessitating numerical methods. The paper implements a methodology that involves the initial formation of the basic geometry in Vista CPD, mesh generation in ANSYS TurboGrid and Mesh, and flow calculation in ANSYS CFX using the SST turbulence model. The Frozen Rotor and Stage approaches analyze the interaction between the impeller and the volute casing. It is shown that the Stage method provides a smoothed flow picture and allows for the determination of integral characteristics (head, efficiency). At the same time, the Frozen Rotor is effective for detecting local separations and flow asymmetry. Based on the results of numerical studies, two modifications of the geometry of the volute casing were made by varying the radii of the cross sections. This allowed it to reduce the separation zones near the tongue and equalize the velocity field. A comparison of the results showed that the proposed modifications increase the pressure from 549 to 592.5 m and the efficiency from 0.865 to 0.893. Thus, combining parametric design in Vista CPD with CFD optimization in CFX is a practical approach to improving the design of volute casings for.