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(jìn)行多場(chǎng)耦合數(shù)值分析，探討高溫工況下泵體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(shí)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(dòng)效率，設(shè)計(jì)具有改進(jìn)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(dòng)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(dòng)能損失和應(yīng)力集中方面均有顯著改善，增強(qiáng)整體運(yùn)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(shí)踐參考。

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

中圖分類號(hào)：TH3 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：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(shí)現(xiàn)液體的高效輸送[2]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，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(shí)，容易因機(jī)械密封失效而引發(fā)泄漏問題，進(jìn)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(dòng)，實(shí)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(xiǎn)性工況下的應(yīng)用越來越廣泛。然而，當(dāng)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(duì)泵體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和磁力傳動(dòng)效率的提升，仍然是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。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(jià)值與學(xué)術(shù)意義。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(dòng)。基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和有限元分析的多場(chǎng)耦合技術(shù)，研究者能夠?qū)Ρ脙?nèi)的流體流動(dòng)、壓力分布以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行精確的模擬，從而優(yōu)化泵的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(gè)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(yùn)行效率；第二，在高溫或復(fù)雜介質(zhì)下，降低磁力傳動(dòng)損失和渦流效應(yīng)，來增強(qiáng)磁力驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)效率；第三，通過改進(jìn)泵的材料和密封結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)其使用壽命并提升運(yùn)行可靠性。盡管上述的研究在一定程度上取得了進(jìn)展，但對(duì)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(jìn)一步探索。

1 "離心式葉片泵的基本設(shè)計(jì)

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(dòng)實(shí)現(xiàn)非接觸式傳動(dòng)，避免了傳統(tǒng)機(jī)械泵中機(jī)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(dòng)磁性組件與安裝在泵內(nèi)的從動(dòng)磁性組件實(shí)現(xiàn)磁耦合[4]，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jìn)口吸入，經(jīng)過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高速流動(dòng)，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(dòng)與液體流動(dòng)之間的耦合機(jī)制是離心磁力泵的核心特點(diǎn)之一。磁力傳動(dòng)通過永久磁鐵的相互吸引力來傳遞扭矩，避免了機(jī)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(xiǎn)介質(zhì)的泄漏。然而，磁力傳動(dòng)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(huì)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(jì)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(jì)必須兼顧磁力傳動(dòng)與液體流動(dòng)的雙重要求。一般來說，葉輪的外形設(shè)計(jì)需要確保液體在泵內(nèi)的流動(dòng)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(huì)對(duì)泵的揚(yáng)程、流量和效率產(chǎn)生顯著影響。

與傳統(tǒng)機(jī)械泵相比，離心磁力泵在葉輪設(shè)計(jì)上還需特別考慮磁力傳動(dòng)的影響。由于磁耦合傳動(dòng)需要一定的空間用于磁體的安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)，這可能會(huì)增加泵體的整體體積，并對(duì)葉輪的幾何設(shè)計(jì)產(chǎn)生限制。此外，磁力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能會(huì)引入額外的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，因此葉輪的設(shè)計(jì)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(jì)往往結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，通過CFD模擬分析流體的流動(dòng)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(yùn)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(jì)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(jì)采用了多片徑向布置的葉片，這些葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠有效地將液體向外推送，從而形成離心力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)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(jì)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(jì)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(dòng)下通過指定路徑完成流動(dòng)。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(dòng)軸之間的連接，在高效傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的同時(shí)，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(jì)簡(jiǎn)潔，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與泵體的結(jié)合緊密，確保了整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性。電機(jī)的動(dòng)力通過傳動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)葉輪，帶動(dòng)液體流動(dòng)，泵殼側(cè)面的進(jìn)出口為液體流動(dòng)的入口和出口，優(yōu)化了流體的進(jìn)出路徑，減少了阻力。

2.1.2 "模型優(yōu)化

本設(shè)計(jì)在力集中的區(qū)域進(jìn)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(shí)也增強(qiáng)了泵體的整體強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)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(jìn)出口位置，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。應(yīng)力集中會(huì)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(jì)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(jì)，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(shí)際設(shè)計(jì)中，通過增大r′，應(yīng)力集中因子Kt′相較于原有設(shè)計(jì)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(yàn)證后，計(jì)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(duì)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(duì)葉輪葉片的進(jìn)出口角度進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)一步提升液體的流動(dòng)效率。葉片的進(jìn)口角？茁1和出口角？茁2對(duì)液體的流動(dòng)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(duì)流體能量的影響

2.2 "多場(chǎng)耦合仿真工況設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.1 s，仿真總時(shí)長(zhǎng)為10 s。采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小為1 mm，壁面處設(shè)置細(xì)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(jìn)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(dòng)的重要因素。為了真實(shí)反映工況條件，進(jìn)口處設(shè)置了恒定流速及壓力，出口處則保持相對(duì)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(zhǎng)度500 mm、直徑10 mm的圓柱形流道，用以模擬液壓油的流動(dòng)特性。流體為密度為1 000 kg/m3的水，壁面材料為屈服強(qiáng)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(jìn)口速度設(shè)定為2 m/s，進(jìn)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(jì)算得出進(jìn)口處雷諾數(shù)為20 000，屬于典型湍流流動(dòng)，采用k-ε湍流模型進(jìn)行仿真，湍流強(qiáng)度為5%，湍流長(zhǎng)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(dòng)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(jìn)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(yàn)證

經(jīng)過上述的實(shí)驗(yàn)仿真，可得到如圖5與圖6所示的實(shí)驗(yàn)對(duì)比效果。其中，圖5為原始結(jié)構(gòu)的仿真效果，圖6為進(jìn)行圓弧倒鈍優(yōu)化后的仿真效果。

在對(duì)比2種結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)效果時(shí)，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(dá)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(shí)的較高動(dòng)能。然而，在進(jìn)行圓弧倒鈍優(yōu)化后（圖6），流線相對(duì)趨于分散，整體流動(dòng)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(shí)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(jì)有顯著下降。通過這種優(yōu)化設(shè)計(jì)，流體的動(dòng)能損失減小，系統(tǒng)的能效得到提升，同時(shí)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(duì)離心式葉片泵與磁力泵在高溫環(huán)境下的性能優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。通過對(duì)泵體結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)與改進(jìn)，顯著提升了泵的運(yùn)行效率與可靠性。未來的研究可以進(jìn)一步探討不同工作條件下的優(yōu)化方案，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為高溫磁力泵的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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