1998 年，鄉(xiāng)村歌手 Faith Hill 在“This Kiss”中歌唱到，陷入愛(ài)河中的她仿佛正經(jīng)歷一場(chǎng)“離心運(yùn)動(dòng)”。我們猜測(cè)，要么她其實(shí)想盡快與男主角分手，要么她不幸將離心 與向心 混為了一談。我們得原諒這首 20 年經(jīng)典老歌的一點(diǎn)失誤——畢竟相比于歌詞創(chuàng)作，認(rèn)識(shí)離心力效應(yīng)對(duì)于各種工業(yè)組件設(shè)計(jì)——例如汽車(chē)中的離心泵——更為重要。

什么是離心泵？

在旋轉(zhuǎn)參照系中，離心力 是一種作用在圍繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的物體上的慣性力，它使物體遠(yuǎn)離自身的旋轉(zhuǎn)軸。想象一下游樂(lè)園中不停旋轉(zhuǎn)的游樂(lè)設(shè)施，它們?cè)诩铀贂r(shí)能把你甩到墻壁上。（向心力指物體在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，指向圓心的力使物體向內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)。）

如果 Faith Hill 把歌詞中的離心運(yùn)動(dòng)（右）改成向心運(yùn)動(dòng)（左），這首歌會(huì)更加合理。

離心泵利用離心運(yùn)動(dòng)將旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)力能來(lái)輸送流體。離心泵在許多行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域中都很常見(jiàn)，例如真空吸塵器和水泵、污水泵和氣體泵。

離心泵的基本運(yùn)行過(guò)程三個(gè)階段：

流體進(jìn)入泵殼，并穿過(guò)葉輪葉片

流體穿過(guò)葉輪進(jìn)入擴(kuò)壓器，與此同時(shí)速度和壓力不斷增大

擴(kuò)壓器減慢了流體流動(dòng)速度，但壓力持續(xù)增加

典型的離心泵。圖片由 Bernard S. Janse 提供。已獲得 CC BY-SA 3.0 許可，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。

在 COMSOL? 軟件中模擬離心泵

使用“CFD 模塊”附加的“攪拌器模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件，你可以對(duì)離心泵進(jìn)行建模并分析其運(yùn)行情況。“離心泵”教學(xué)模型清晰演示了如何利用凍結(jié)轉(zhuǎn)子近似來(lái)建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械仿真。

該示例使用的離心泵是由七個(gè)葉片和螺旋形蝸殼組成的半開(kāi)式葉輪。葉輪的外半徑為 10 cm，這是汽車(chē)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。為了分析各種不同的泵配置，該幾何結(jié)構(gòu)被高度參數(shù)化。

離心泵幾何模型。

教學(xué)模型通過(guò)一步步指導(dǎo)，演示了各種實(shí)用的建模操作，這包括：

對(duì)旋轉(zhuǎn)域和非旋轉(zhuǎn)域分割幾何

利用參數(shù)化分析計(jì)算泵特性曲線

拉伸網(wǎng)格、入口通道和出口通道

使用高度參數(shù)化定義幾何

幾何特征去除

專業(yè)的離心泵建模功能

COMSOL? 軟件中的凍結(jié)轉(zhuǎn)子 特征是分析離心泵及其他類(lèi)型的渦輪機(jī)械的“利器”。凍結(jié)轉(zhuǎn)子近似的基本作用是在指定位置上凍結(jié)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，使用戶可以研究固定位置上的轉(zhuǎn)子流場(chǎng)。

凍結(jié)轉(zhuǎn)子近似由納維-斯托克斯和連續(xù)性方程控制，可節(jié)省計(jì)算時(shí)間和資源。常見(jiàn)的離心泵模型需要使用動(dòng)網(wǎng)格，往往在模擬混合器從靜止?fàn)顟B(tài)切換到基本混合模式的“啟動(dòng)”階段上耗費(fèi)大量時(shí)間。凍結(jié)轉(zhuǎn)子方法假設(shè)泵的葉片相對(duì)于葉輪是凍結(jié)的，并且可向周?chē)鷧^(qū)域施加離心力。它還可以良好地計(jì)算泵的擬穩(wěn)態(tài)條件。近似值可用作完整仿真的初始條件，借此計(jì)算出一段時(shí)間步的最終解。

專門(mén)的 CFD 功能可以幫助用戶更輕松地求解復(fù)雜的離心泵模型。

在 COMSOL? 軟件中，你也可以使用代數(shù)多重網(wǎng)格（AMG）方法來(lái)求解具有詳細(xì)又復(fù)雜的大型幾何結(jié)構(gòu)的 CFD 模型。此方法無(wú)需使用不同級(jí)別的網(wǎng)格（事實(shí)上，它只需要一個(gè)網(wǎng)格）。這項(xiàng)功能可以為計(jì)算成本極高的非線性模型提供穩(wěn)健的解。

查看仿真結(jié)果

運(yùn)行仿真之后，你可以繪制離心泵入口和出口處的質(zhì)量流量計(jì)探頭。此例中，入口和出口的值相等，這表明我們沒(méi)有在此質(zhì)量守恒中觀察到任何可能存在的數(shù)值誤差。近乎完美的質(zhì)量守恒表明數(shù)值誤差應(yīng)該很小。下表中的“躍值”表示入口處總壓力的變化。

觀察下圖中的壓力和速度大小分布，可以看到，從入口通向泵蝸殼的徑向方向上，壓力上升，而速度反復(fù)變化。

模型方程的解可生成泵性能曲線。這條曲線是確定離心泵設(shè)計(jì)是否適用于特定產(chǎn)品應(yīng)用的至關(guān)重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)。泵的優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)了三個(gè)主要目標(biāo)：

最高效率

延長(zhǎng)壽命

降低運(yùn)行成本

在使用此模型時(shí)，你或許想要修改泵的設(shè)計(jì)，并運(yùn)行形狀優(yōu)化研究。歡迎在下方留言，與我們分享你的進(jìn)展和結(jié)果！