基于CFD数值模拟的洗衣机排水泵优化

0 引言

随着社会经济的日益发展，生活物资不断完善,人们对于各种家电的需求日益增大。就洗衣机行业来看，目前我国洗衣机市场普及程度已经超过了76%，其中城镇市场已经超过了96%，农村市场也已经超过了53%[1]。随着国家政策和人们生活质量的改善，洗衣机排水泵需求数量将会大度提高。然而像洗衣机内置小型水泵作为家电器件的重要部件却鲜有涉及，对洗衣机排水泵设计与优化成为可持续发展与节能减排的重要途径。近年来随着计算机流体力学的发展以及其在流体机械的三维流动场分析中的广泛应用，水泵性能特性预测变得越来越容易，但水泵性能参数优化往往通过经验或者不断的尝试，这样大大延长了开发周期，提高了开发成本。叶晓琰等[2]利用CFD对离心泵汽蚀性能进行预测;贾瑞宣等[3]对低转速比的混流泵针对叶轮，进行效率优化设计；施卫东等[4]基于CFD对汽车冷却泵进行优化设计，改善了进口流动性。于锡平[5]在材料以及形态尺寸方面对水泵进行抗气蚀优化。针对这种情况，王小翠等[6]利用进化算法对离心泵优化设计；袁寿其等[7]利用MATLAB建立了复合叶轮离心泵效率和扬程的BP神经网络预测模型；张文璋等[8]利用VC++与Frotran实现了对螺杆泵效率的提升；田辉等[9]采用遗传算法的方法对离心泵叶片水力特性进行优化；赵伟国等[10]利用遗传算法针对离心泵效率进行优化；赵宇等[11]采用代理模型的方法对水泵空化性能进行了优化设计。而本文采用正交实验的分析方法对旋流泵效率进行优化设计，在缩短开发周期的同时，为今后的水泵优化设计提供了一种新的思路。

1 洗衣机排水泵结构形式与流体力学基本原理

1）旋流泵水力模型。该款洗衣机排水泵属于离心泵款系下的旋流泵系列，旋流泵是无堵塞的自流泵，是输送污水主要品种。其结构特点是叶轮退至无叶腔后面。如图1所示，在轴的驱动下叶轮在泵后腔做旋转运动，流体受叶轮的作用直接或间接地产生轴向涡流，涡流中间的压力较低，从而不断上吸液体。同时轴向涡流运动使得压力和圆周速度沿径向不断增大，在叶轮与蜗壳之间形成一定的能量环流，最后形成贯通流排出。

如图2所示，洗衣机排水泵其基本结构参数为：直叶片数量Z=4，叶轮外径D2=39 mm,环形压水室直径Dv=50，额定流量20 L/min,额定扬程1.25m,转速3000 r/min。洗衣机二维剖视图如图2所示。

文艺发展呈现出可喜的走向，同时也伴生一些值得注意的问题。相对于文艺工作服从和服务于我省提出的“物质富裕、精神富有”，我市确立的“经济繁荣、生活富裕、精神富有、风尚文明”目标中的“精神富有”、“风尚文明”两个关键词，我们必须清醒地看到文艺工作的优劣、短长和得失，分析原因，正视现实。

  

图1 旋流泵工作原理

  

图2 二维装配图

2）流体力学基本控制方程。水泵数值模拟都是建立在流体力学三个基本控制方程基础上——动量方程、能量方程、连续方程。反应流体必须遵循动量守恒、能量守恒、质量守恒。

式中：keff为有效热传导系数；J为扩散流量；sh为化学反应热或其他体积热源。

动量守恒：对于流体系统，动量在单位时间的变化率等于所受外力的总和。

随着时代的发展，农业节水灌溉技术必然会广泛应用于未来农业灌溉中。因此，要重视农业的节水灌溉工作，不断发展农业节水灌溉技术，使其可以更好地促进农业经济的发展。要加强对农业节水灌溉的经济效益分析，提高农民对农业节水灌溉技术的认可度，获得更多农民的支持，提高农民采用农业节水灌溉技术的积极性，使农业更好地发展。

 

式中：Fbx、Fby、Fbz分别为单位质量的流体上的质量在3个方向上的分量；ρ为应力张量的分量。

能量守恒：流体必须满足控制体中能量的变化大小等于控制体的净热流量与体力面力所做功之和。

 

观察组采用循证护理措施:①建立循证护理小组,主要包括护士长、责任护士、护士等,其中护士长担任循证护理小组组长。②了解情况:在患者入院后详细了解患者的病情,对患者生命体征进行监测,观察患者是否出现呕血、黑便情况,然后实施饮食指导,指导患者养成良好的饮食生活习惯,忌食辛辣刺激食物,禁烟禁酒。③在实施具体护理措施期间,要为患者建立静脉通道实施输液,控制好输液速度,对患者补充血液红细胞,稳定患者血压;与此同时,护理人员要及时解答患者的疑问,并对患者实施心理护理干预,缓解患者不良心理情绪,指导患者按时休息,确保充足的睡眠,叮嘱患者定期来医院复诊。

式中：v为控制体；A为控制面。

（7）严格养护：在混凝土终凝后及时对混凝土进行针对性的保温、保湿养护。在冬季，应采用塑料和棉毡覆盖保温，减少混凝土产生裂缝。对混凝土内细小裂缝的愈合起到了保证作用。

 

近年来，国产电梯品牌迅猛发展，以康力电梯、江南嘉捷、远大智能、广日电梯、东南电梯等民族品牌为代表的电梯企业不断占据国内市场份额，但是其综合实力较国际知名电梯企业来说仍有相当大的差距，在制造和管理上的差距尤为明显，导致生产成本过高，竞争力不足。由于电梯产品种类繁多、参数复杂，且用途独特、安全性要求严格，随着行业竞争的不断加剧，电梯市场不断走向多样化及定制化的柔性制造模式，因此实行切合我国电梯制造企业的实际情况的精益生产方式，在企业研发、生产及管理上均具有重要意义。

3）水泵性能参数的选取。

其他特征变量对住宅价格也有一定的影响．建筑面积每增加1%,住宅价格增加0.213%;建筑年龄每减少1%,住宅价格增加0.032%;小区容积率每增加1%,住宅价格增加0.059%;装修程度每提升一个等级,住宅价格增加3.05%;朝南的住宅比其他方向的住宅价格高出6.18%;住宅至最近商圈距离每增加1%,住宅价格降低0.033%;住宅至CBD距离每增加1%,住宅价格降低0.078%;物业水平每增加1%,住宅价格增加0.075%．

旋流泵的结构简单，但其内部流场十分复杂。主要影响水泵性能参数有：叶轮外径D2，叶片数量Z，叶片宽度B，无叶腔宽度L，蜗壳进口直径D3，叶片进口安装角β1，叶轮出口安装角β2，叶轮与无叶腔的相对位置S等。由于该公司为了低成本的需求，电动机启动有正转与反转因此叶片进口安装角β1与叶片出口安装角β2采用90°不变，为保证泵大体的结构不变，还考虑到旋流泵的贯流与环流的特点，故本次分析最后选定D2、Z、Dv三个因素。

根据仿真效果可知叶轮叶片在5或6叶时效率、扬程会有明显提高，而两端出现下降趋势。通过上面的公式可知，随着叶轮外径减小，扬程也随之减小，由于改款水泵蜗壳与标准环形蜗壳相比存在着扬程损失，根据仿真大体可知叶轮外径在35.6～36 mm之间。环形蜗壳大小Dv=（1.3～1.5）D2。

2 CFD数值计算模拟

1）网格划分。利用ICEM软件对模型采用四面体网格划分，水泵流道由四部分组成，分别为：叶轮，蜗壳，进口延长段，出口延长段。水泵模型比较规则，可以采用四面体网格划分，能够较准确地反映微小区域的几何特征。网格的划分在得以保证网格精度的情况下，尽量减少网格的数量以缩小计算时间。进出口延长段的作用是保证残差迭代收敛以满足工程需求。水泵四面体网格数量89 165左右，节点17 994左右。

  

图3 网格划分模型

2）CFX数值计算求解。对于不可压缩性流体，边界可以选择入口总压（Total Pressure），出口质量流率（Mass Flow Rate）。通过改变出口边界的质量流量，达到改变工况的目的，求解出各个工况下的入口压力与出口压力以及叶轮转矩。通过公式计算，可知水泵的水力效率，进而达到优化模型设计的目的。

水头公式：

 

水力效率为

轴功率计算公式：

 

式中：M为叶轮叶片所受转矩，N·m；ω为叶轮角速度，rad/s。

式中：Pin、Pout为洗衣机排水泵进、出水口压力，Pa；ΔZ为进出水口端面高度，m；ρ为水体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

 

3 正交实验的分析方法

选择A、B、C三个因素分别代表分别为D2、Z、Dv，如表1所示。根据正交表选用原则，选用L9（3×3）正交表，共9种配置方式。通过CFD数值模拟得出以上三个因素对泵的流量以及扬程的影响。

质量守恒：流场中取一封闭空间为控制体，其表面为控制面。流体从控制面A1流入控制体，从A2控制面流出控制体。控制体内部质量变化等于A1流入A2流出的质量差。

 

表1 因素水平表

  

水平 因素D2/mm Z/个数 Dv/mm 1 35.6 4 50 2 35.8 5 51 3 36.0 6 52

选取扬程和效率作为水泵性能的评价指标，在转速为3000 r/min流量为20 L/min为CFD边界条件，通过正交仿真分析得到9组数据如表2所示。

本仿真采取多指标性能评价，利用综合平衡考虑的方法进行分析，先对单个指标的结果进行分析比较，再对各个指标综合考虑，扬程与效率指标分析结果如表3所示。

 

表2 实验L9（3×3）安排与结果

  

试验号 A B C η/% H/m 1 1 1 1 26.63 0.97 2 1 2 2 33.16 1.25 3 1 3 3 34.49 1.39 4 2 1 2 25.79 0.94 5 2 2 3 32.40 1.24 6 2 3 1 35.99 1.48 7 3 1 3 26.09 0.97 8 3 2 1 33.54 1.31 9 3 3 2 35.21 1.42

 

表3 正交极差分析

  

参数 η/% H/m A B C A B C K1 94.28 78.51 96.16 3.61 2.88 3.76 K2 94.18 99.10 94.10 3.66 3.80 3.61 K3 94.84 105.69 92.98 3.70 4.29 3.60 k1 31.43 26.17 32.05 1.20 0.96 1.25 k2 31.39 33.03 31.39 1.22 1.26 1.20 k3 31.61 35.23 30.99 1.23 1.43 1.20 R极差 0.22 9.06 1.06 0.03 0.47 0.05

每一列的极差分别表示该因素水平对性能指标影响的大小，极差越小说明该因素的各水平对指标性能影响不大，反之极差越大说明该因素的各水平对性能指标影响越大。对效率影响的程度大小依次为B、C、A。对扬程与效率的性能指标影响大小依次为B、C、A。首先对效率和扬程影响最大的因素是叶片数量，要满足效率高而且在额定扬程附近故选择B2,接下来可知对效率与扬程影响因素DV＞D2,由于要满足扬程兼顾效率最大故选择C1,叶片直径D2对扬程效率影响最不明显，从第八组数据可以扬程略微偏大，可以通过减小扬程经CFD仿真可知应选择A2。所以选择B2C1A2。

苏轼22岁时，与弟弟苏辙同科进士。26岁时作为京官下派凤翔府任节度判官厅事。29岁返京，授于编修国史机构的文职官员。31岁父亲卒于京师，苏轼护丧返蜀，33岁那年免丧入京。是时，王安石正在宋神宗的支持下推行变法。王安石非常看重苏轼的才华，如果苏轼能够顺水推舟，支持变法，一定能够平步青云，官运亨通。可是，他一到京城，便站在司马光一边，连续三次上书神宗全面批评王安石新法，指出王安石新法的要害是“富国”而“贫民”。

4 结果与分析

1）效率与扬程对比分析。从图4可以看出：新旧叶轮在不同的工况点水泵的扬程差变化不大，特别在额定工况点20 L/min扬程基本一致。而新叶轮效率整体高于旧叶轮效率，新旧叶轮在20 L/min附近效率差出现最大并沿两端逐渐减小。

  

图4 优化前后扬程与效率对比曲线

  

图5 优化前后泵内压力分布

2）压力对比分析。从图5可知：由于水的黏性以及惯性力的作用，水体从叶轮进入泵内的过程，叶轮转动的动能转化为压能，静压也随着叶轮直径逐步增大；从图5中也可以看出，在叶片根部出现低压力区甚至负压区，这个部位也是水泵最容易发生气蚀的部位；由于离远出口的蜗壳处间隙较小，水体动能大部分转化为压能。随着叶片数量的增加离远出口的蜗壳处压力区域将变大；由于叶轮直径的减小，优化后叶轮低压区的面积明显减小；优化后在水泵出口处没有狭长的低压区，这有利于减小管口回流和压力梯度产生的冲击。

3）速度对比分析。从图6可知：随着叶轮直径的不断增大，水体的圆周速度也随之不断增加，但当水体离开叶轮进入泵体后部分动能将转化为压能，水体速度降低；泵出口左侧速度高于出口右侧速度由于速差的存在，从而导致旋涡；相比优化前后,优化后的高速区明显减小，有效地避免了由于速度梯度而产生的冲击。

在额定工况20 L/min扬程1.25m,比较优化前后水泵内部压力与速度云图可以得出：在优化后水泵内部压力与速度梯度更为均匀，这有利于减小能量损失，还可以有效地减小振动；优化后扬程和流量大体相同的情况下电动机启动转矩减小、功率减小、水泵效率上升。

  

图6 优化前后泵内速度矢量分布

5 结 论

1）将原有模型内部混乱的速度场，特别是出口段涡流大大减小，在额定流量和扬程大体不变的情况下，实现了效率上升5.95%；2）采用正交实验的分析方法探索多个结构参数对水泵扬程、效率影响规律，节省了设计周期；3）CFD数值模拟定常与非定常模拟只能大体与实际值相近，不能精确表出。

出口方面已经临近尾期，截至上周，国内港口二铵存量在42万吨左右。虽然印度和巴基斯坦仍有新单出现，但是近期的出口价格一再下滑，企业的心态也有点稳不住了，目前出货量较少。据海关统计，1-8月份中国磷酸二铵出口总量为401万吨，和去年同期的397万吨相比基本持平。

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