基于逆向工程的離心泵三維建模及數(shù)值模擬

張 宇，龔亞軍，曾保平，汪 琦

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

基于逆向工程的離心泵三維建模及數(shù)值模擬

張 宇，龔亞軍，曾保平，汪 琦

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

離心泵是重要的船用機(jī)械配套設(shè)備，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和功能強(qiáng)大的三維制圖軟件為構(gòu)造具有復(fù)雜曲面的離心泵蝸殼及葉輪流道提供了極大的便利。本文在逆向工程思想的指導(dǎo)下，結(jié)合三維激光掃描儀、相關(guān)點(diǎn)云處理軟件和三維 CAD 軟件，精確地構(gòu)建出離心泵的三維模型。建立泵的三維水力模型，利用 CFD 方法分析其內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律。將離心泵性能預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩者符合的很好，為泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升打下了基礎(chǔ)。

逆向工程；離心泵；數(shù)值模擬；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

0 引 言

逆向工程是一種以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物、樣件、軟件或影像作為研究對(duì)象, 應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和相關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究、探索掌握關(guān)鍵技術(shù), 進(jìn)而開發(fā)出同類的更為先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)[1, 2]。自 20 世紀(jì) 90 年代以來，逆向工程技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。離心泵是重要的船用輔助配套設(shè)備，利用逆向工程技術(shù)對(duì)其進(jìn)行精確地三維建模，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)和優(yōu)化，對(duì)增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中的高新技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3–5]。本文通過三維激光掃描儀獲得離心泵點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合點(diǎn)云處理軟件和三維 CAD 軟件對(duì)某型號(hào)離心泵進(jìn)行逆向建模，并利用 CFD 商業(yè)軟件Fluent 分析其內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律，對(duì)其性能作評(píng)價(jià)。

1 離心泵三維重構(gòu)及水力計(jì)算模型提取

1.1 離心泵三維幾何重構(gòu)

離心泵點(diǎn)云模型如圖 1 所示。經(jīng)過掃描后的點(diǎn)云數(shù)量巨大，在掃描過程中因機(jī)械或人為因素，不可避免的會(huì)出現(xiàn)噪聲、異常數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)缺陷。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理直接影響后續(xù)逆向建模質(zhì)量的好壞，因此建模前必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，如精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)量，去除毛刺和異常點(diǎn)，修補(bǔ)缺省數(shù)據(jù)等。這些預(yù)處理通過結(jié)合點(diǎn)云處理軟件來完成，從處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出泵的特征曲線，這些特征曲線的組合形成大的面片集合體，最終在三維建模軟件中參數(shù)化構(gòu)建出離心泵準(zhǔn)確的三維幾何模型，如圖 2 所示。

圖 1 離心泵點(diǎn)云模型Fig. 1 Point clouds model of centrifugal pump

圖 2 離心泵三維模型Fig. 2 3D model of centrifugal pump

1.2 離心泵水力模型提取

圖 2 所示的離心泵三維幾何模型用于工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品展示，而要對(duì)泵體進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析和性能預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，需以泵內(nèi)部的水力模型為研究對(duì)象。在三維CAD 軟件中對(duì)圖 2 所示的模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，提取出如圖 3 所示的離心泵水力模型，從圖中可以看出，模型分為吸入室、蝸殼和葉輪流道 3 部分。

圖 3 離心泵水力模型Fig. 3 Hydraulic model of centrifugal pump

2 離心泵內(nèi)流場(chǎng)的 CFD 分析

傳統(tǒng)上采用搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)來研究泵內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)分布，但試驗(yàn)方法耗時(shí)大且實(shí)驗(yàn)裝置成本較高。隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，CFD 成為一種對(duì)泵進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)的重要技術(shù)手段[6, 7]，對(duì)泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提高泵性能具有重要意義。

2.1 離心泵 CFD 模型建立

2.1.1 網(wǎng)格模型

離心泵 CFD 網(wǎng)格模型是建立在其三維幾何模型之上，劃分網(wǎng)格時(shí)，因模型涉及到復(fù)雜曲面，故采用對(duì)復(fù)雜模型適應(yīng)性極強(qiáng)的四面體網(wǎng)格。如圖 4 所示，單元總數(shù)為 800 948，其中吸入室 374 616，蝸殼 235 512，葉輪流道 190 820。

圖 4 離心泵全流道網(wǎng)格模型Fig. 4 Finite element model of centrifugal pump

2.1.2 邊界條件

1）進(jìn)口邊界條件。如圖 5 所示，采用速度進(jìn)口（velocity inlet）。由質(zhì)量守恒定律和無旋假設(shè)確定進(jìn)口軸向速度，考慮葉輪與液流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，給出葉輪進(jìn)口截面上的相對(duì)速度分布。假設(shè)在進(jìn)口截面上壓力為均勻分布。進(jìn)口處的湍動(dòng)能值進(jìn)口處湍動(dòng)能耗散率按下列公式計(jì)算：

2）出口邊界條件。壓力出口如圖 5 所示，指定出口處的靜壓，當(dāng)有回流時(shí)，使用壓力出口邊界條件代替自由出流邊界條件會(huì)有比較好的收斂結(jié)果。

圖 5 邊界條件Fig. 5 Borndary condition

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算方法

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

在離心泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬的過程中，蝸殼流場(chǎng)區(qū)域?yàn)殪o止邊界，葉輪流場(chǎng)區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)動(dòng)邊界，采用多參考坐標(biāo)系模型（MRF）來處理動(dòng)靜邊界之間的耦合問題，為了把非定常問題簡(jiǎn)化為定常問題，本文假定離心泵內(nèi)流場(chǎng)為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置時(shí)的瞬時(shí)流場(chǎng)。在數(shù)值模擬過程中，采取有限體積法（FVM）求解雷諾時(shí)均 N-S 方程；采用標(biāo)準(zhǔn) SIMPLE 方法[8]求解壓力速度耦合方程；湍流模型主要選取k?ε 雙方程模型[9 - 10]，并作出適當(dāng)修正，湍流模型方程（耗散率與湍動(dòng)能輸運(yùn)方程、動(dòng)量方程）的離散采用二階迎風(fēng)格式；代數(shù)方程的迭代計(jì)算采取亞松弛，其中，壓力亞松弛系數(shù) 0.3，動(dòng)量亞松弛系數(shù) 0.6，湍動(dòng)能亞松弛系數(shù) 0.8，湍動(dòng)能耗散率亞松弛系數(shù) 0.8，收斂精度設(shè)定為 1 × 10–5。

2.2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

離心泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)揚(yáng)程 H = 140 m，設(shè)計(jì)流量 Q = 1 400 m3/h，轉(zhuǎn)速 n = 1 000 r/min，葉輪直徑 d = 720 mm，葉輪葉片數(shù) Z = 6，進(jìn)口操作壓力取大氣壓，工作介質(zhì)為清水，密度 ρ = 998.2 kg/m3，流體粘度去 μ = 0.001 003 kg/（m·s）。

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 壓力分析

從圖 6 離心泵泵靜壓分布可看出，水進(jìn)入葉輪后，沿葉片流動(dòng)方向上，葉輪各流道內(nèi)的壓力分布均勻，從進(jìn)口到出口壓力先降低到某一最低值時(shí)，又開始上升，到葉輪出口處，達(dá)到最大值，最低壓力出現(xiàn)在葉輪進(jìn)口處且靠近葉片進(jìn)口邊，這與通常葉輪發(fā)生氣蝕的部位相一致。由于蝸殼的存在，葉輪內(nèi)靜壓分布并非呈現(xiàn)出對(duì)稱性，靠近蝸殼出口的流道內(nèi)的壓力分布與其他流道內(nèi)的壓力分布不同，最高壓力出現(xiàn)在靠近蝸殼出口的葉輪流道內(nèi)，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，各流道內(nèi)的壓力呈周期性變化。

圖 6 壓力分布Fig. 6 Pressure distribution

2.3.2 速度分析

離心泵速度分布如圖 7 所示，從圖中可以看出，在額定工況下，葉輪從進(jìn)口到出口速度逐漸增大，由于蝸殼的存在，泵的速度場(chǎng)呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性。由于葉輪在不斷地沿著葉輪軸旋轉(zhuǎn)，為葉輪流道內(nèi)的流體提供源源不斷的動(dòng)能，因此在靠近葉片的流體速度明顯增大，離蝸殼出口越近速度越大，這與葉輪內(nèi)部流動(dòng)的實(shí)際情況相符合。

圖 7 速度分布Fig. 7 Velocity distribution

2.3.3 離心泵性能曲線

圖 8 揚(yáng)程—流量曲線Fig. 8 Head-flow curve

圖 9 效率—流量曲線Fig. 9 Efficiency -flow curve

3 結(jié) 語

結(jié)合三維激光掃描儀、相關(guān)點(diǎn)云處理軟件和三維CAD 軟件，可以對(duì)離心泵進(jìn)行精確地逆向建模，很好的確保構(gòu)建三維模型的精度和速度。采用 CFD 方法對(duì)離心泵進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬，較為準(zhǔn)確地揭示了其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，印證了泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與否，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。將兩者結(jié)合起來，可以迅速吸收先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，此方法對(duì)于縮短泵的研發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)水平和節(jié)省成本具有重要意義。

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Three-dimensional modeling and numerical simulation of centrifugal pump based on reverse engineering

ZHANG Yu, GONG Ya-jun, ZENG Bao-ping, WANG Qi
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

Centrifugal pump is a crucial marine drive machinery equipment. With the development of computer technology, powerful 3D graphics software can be put into use to design the complex surface of the volute and impeller channel. In this paper, under the guidance of the concept of reverse engineering, combined with softwares, namely the laser scanner, scattered point cloud software and 3D CAD software will accurately construct 3D model of centrifugal pump to establish the 3D hydraulic model pump, using CFD method to analyze the internal flow phenomena and the basic rule for it. The predictive values and experimental values of the centrifugal pump working performance will be made comparison over and lead to the results that both are up to standards, and provide useful information for the structure optimization and performance enhancement of the pump.

reverse engineering；centrifugal pump；numerical simulation；computational fluid dynamics；computer-aid design

TP391.7

A

1672–7619(2016)12–0094–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.019

2016–04–14；

2016–05–17

張宇(1987–)，男，博士，工程師，從事船舶系統(tǒng)技術(shù)研究工作。