利用贯通流结果了解不同流速下的水力行为
挑战
设计水力涡轮机械（如离心泵、风机或水轮机）需要平衡各种输入变量。设计人员必须定义流量、转速、叶轮几何形状、叶片数量和比能量（或扬程）等工作条件，所有这些条件都相互关联，并对性能产生重大影响。这种复杂的设计空间可能会让人不知所措，尤其是当人们试图优化液压效率、功率消耗或扭矩，同时避免气蚀或在非设计条件下性能下降时。
即使有了明确的目标，如达到一定的扬程或功率，确定所选的设计参数组合是否最优也并非总是那么简单。设计人员通常依赖经验或经验公式，这些方法虽然有用，但可能无法全面反映情况，特别是对于新颖或受限制的应用。这种不确定性会导致次优配置性能不佳或需要大量重新设计。
工程解决方案
设计高效的透平机械需要既快速又可靠的工具，尤其是在开发的早期阶段。Vista TF（Throughflow）是 ANSYS Workbench 套件的一部分，它是一种流线曲率求解器，旨在使用准一维方法评估径向叶片排，如离心泵、径向压缩机和涡轮机中的叶片排。
虽然 Throughflow 无法提供 3D CFD 的全部细节，但它可以对叶轮几何形状和工作点进行快速参数化研究。其简化但有物理依据的建模使工程师能够快速评估各种配置，并对水头、扭矩和效率（级效率和等熵效率）等关键性能指标提供即时反馈。
为了应对复杂设计空间的挑战，Throughflow 提供了一种基于一维流量计算评估性能趋势的有效方法。通过改变质量流量或叶片几何形状等参数，设计人员可以深入了解这些输入如何影响水力行为。这使得 Throughflow 成为早期筛选和迭代改进的绝佳工具，帮助工程师将昂贵的 3D CFD 工作重点放在最有前途的候选方案上。
方法
设置过程在 ANSYS Workbench 环境中通过拖放 Vista CPD 模块开始，该模块用于基本的离心泵选型。第一步，用户提供所需的设计点，包括流量、扬程、转速和流体特性等输入。根据这些条件，Vista CPD 会生成初步的叶轮几何形状，并估算关键性能参数。
Vista CPD 的独特之处在于它可以生成 效率曲线 的函数 比速度 (Ωs) 和 比直径比 (Q/N）。这些非尺寸参数概括了叶轮的性能特征：
- Ωs（比转速）:这是一个无量纲参数，与流速 (Q)、转速 (w）和头部（H).该方程常用于泵的设计，以划分叶轮类型并预测流动通道的形状和性能。公式中，g 为重力加速度。
- Q/N（流量系数）:表示流量与转速的比值，在此用于建立不同流态的性能曲线系列。这里 N 是转速（转/秒），D 是叶轮直径。在 Vista CPD 中显示为 Q/N。
因此，Vista CPD 提供基于无量纲系数（如流量系数和比转速）的理论效率图。虽然对一般指导有用，但这些图依赖于经验趋势，与特定几何形状无关。为了更准确地评估实际叶轮设计，Throughflow 提供了基于实际叶片几何形状和输入条件的准一维分析。这样就能在一定流速范围内对性能指标（如扬程和效率）进行更可靠的评估。
结果
流程的第一步是在 Vista CPD 中定义初始设计输入，如下图所示。这些输入包括运行条件（最主要的是质量流量）以及叶轮的主要几何特征。关键参数包括轮毂和护罩轮廓、前缘和后缘的形状和位置、叶片数量以及对叶轮基线设计至关重要的其他尺寸。这种配置定义了一个单一的设计点，然后将其作为后续性能评估的几何起点。
然后，设计被转移到新的 Throughflow 模块中，求解器自动运行并在几分钟内完成计算。计算完成后，用户可以访问结果单元，直观查看关键性能输出。在此阶段，可以使用等高线图，深入了解通过叶轮通道的流动行为，以及速度、压力和叶片负载等变量。
请注意，除了突出显示的区域外，压力等值线图显示的是渐变分布。此外，子午流速度（Cm）在前缘附近，尤其是靠近轮毂处显著增加。这表明进气口的几何形状或转速可能导致气流过早收缩和加速。这种模式表明进入的气流分布不均匀。
虽然这种行为并不一定有问题，但它突出了叶轮的一个关键区域，在该区域中，流动不平衡可能最终导致全三维模拟中的低效率或流动分离。使用 Throughflow 可以及早发现这一问题，为改进入口几何形状和指导进一步的参数分析提供有价值的见解。因此，我们还可以使用质量流量作为输入参数，使用不同的效率作为出口参数，进行参数分析。
- etap ss.阶段多极效率（静态-静态）。使用入口和出口的静压和焓来评估阶段的热力学效率。
- etap ts.阶段多向效率（总静压）。考虑入口处的总压力和出口处的静压力；当入口动能很大时有用。
- etap tt.阶段多能效率（总-总）。利用入口和出口的总压力评估效率，捕捉动能和势能效应。
- etas ss.阶段等熵效率（静态-静态）。在静态条件下，将实际焓变与理想等熵变进行比较。
- 等熵效率.阶段等熵效率（总-静态）。使用入口处的总条件和出口处的静态条件；适用于估算实际系统中的实际损失。
- 等熵效率.阶段等熵效率（总-总）。假定入口和出口总状态之间存在理想的等熵过程，衡量总体性能。
观看完整的视频演示，了解如何设置模型和检查结果，以加快早期泵设计并揭示关键性能趋势。
安思解决方案的优势
通过 Ansys 先进的解决方案，CFD 建模展示了其优化和评估水力结构的潜力。在预处理方面，Ansys SpaceClaim 和 Discovery Modeling 可促进 CAD 创建和准备，而 Ansys Fluent 和 CFX 则可应对各种仿真挑战。高保真后处理工具（如 Ansys Ensight）可以有效地分析和可视化大型数据集。
此外，在 Ansys Mechanical 和 LS-Dyna 的支持下，CFD 结果可以与流固耦合（FSI）方案中的结构分析相结合。Workbench 平台中的 DesignXplorer 和 Ansys OptiSlang 为实验设计 (DOE) 和高级优化等技术提供了便利。Ansys 还提供 HPC 许可和 GPU 功能，用于并行处理复杂模型，确保进行全面评估。