Abstract
Центробежные насосы широко применяются в различных отраслях промышленности, однако применение классических законов подобия при проектировании насосов различного типоразмера может сопровождаться расхождением аналитических и численно полученных гидравлических характеристик. Целью работы является оценка применимости законов подобия путем сопоставления аналитических расчетов с результатами трехмерного CFD-моделирования при изменении геометрического масштаба и частоты вращения рабочего колеса. Исследование выполнено на основе базовой геометрической модели центробежного насоса, сформированной по результатам гидравлического расчета. С применением теории подобия были подготовлены четыре расчетные модели, которые отличались друг от друга геометрическим масштабом и частотой вращения. Расчет внутренних течений проводился в программном комплексе ANSYS CFX 2023 R2 методом конечных объемов (в стационарной постановке RANS с использованием модели турбулентности SST k–ω). Для каждой конфигурации оценивались напор, потребляемая мощность и гидравлический КПД. Дополнительно анализировались поля давления и скорости, а также локальные особенности структуры потока. Сравнение результатов численного моделирования с аналитическими расчетами выявило следующие закономерности. У полноразмерных моделей расхождение по напору составило всего 6,6–6,8 %, тогда как при уменьшении габаритов погрешность возросла до 11,9–12,5 %. Отклонения в значениях мощности находились в диапазоне 11,8–14,6 %. Расчетный гидравлический КПД для крупных моделей достиг 86,7–86,8 %, а для уменьшенных –81,7–81,9 % (при теоретически заложенном значении 80 %). Анализ данных показал, что масштабирование геометрии сказывается на характеристиках насоса заметно сильнее, чем варьирование рабочих оборотов. Таким образом, законы подобия вполне применимы для этапа эскизного проектирования, однако разработка уменьшенных версий насосов требует обязательной поверочной оценки методами вычислительной гидродинамики (CFD). Предложенный подход может быть использован для повышения достоверности проектирования центробежных насосов различных типоразмеров.