基于Fluent的水泵流動區(qū)域的CFD數(shù)值計算模型

1、CFD 數(shù)值計算模型軟件平臺：PRO-E3.0理論上，水泵的進口到出口的流動區(qū)域就是我們的計算模型。一般，全流場算域分為5部分：1. 葉輪進口段2. 葉輪內(nèi)流動域3. 泵體前腔4. 泵體后腔5. 泵體（渦殼）6. 出口段通常我們計算的時候運用流動域1、2、5、6, 最簡化的為流動域2、5.計算模型可以運用PRO-E ，UG ，CATIA 等三維造型軟件，具體的造型過程和步驟請點擊三維造型培訓(xùn)，模型通常保存為STP 和IGS 文件格式.各流動域可以分別造型，然后進行裝配.簡單的模型可以運用FLUENT 前處理軟件GAMBIT 中進行.下圖為某型號紙漿泵，計算模型包括：1. 葉輪進口段，2. 葉輪

2、內(nèi)流動域，3. 泵體前腔，4. 泵體后腔，5. 泵體（渦殼） 某型號紙漿泵計算模型下圖為某型號低比速離心泵計算模型，包括：1. 葉輪內(nèi)流動域，2. 泵體（渦殼）。模型作了簡化，沒有考慮腔體中的流動。 某型號低比速離心泵計算模型下圖為某型號的循環(huán)泵全流場計算模型，包括所有的流動區(qū)域。 某型號循環(huán)泵計算模型計算模型的造型是CFD 工作中非常重要的一部分，由于造型可能影響到網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格生成質(zhì)量，因此，科學(xué)合理的造型將達到事半功倍的效果。網(wǎng)格劃分軟件平臺：GAMBIT2.2.30。計算模型導(dǎo)入步驟 File-Import, 見下圖。 導(dǎo)入計算模型, 輪廓圖見下圖。 網(wǎng)格劃分界面 a 面合并界面 b

3、網(wǎng)格分界面 c 網(wǎng)格質(zhì)量檢查模型處理好后, 分別對流動區(qū)域進行網(wǎng)格劃分通常, 葉輪和泵體的幾何現(xiàn)狀不規(guī)則，運用T-Grid 類型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距根據(jù)模型大小和計算機性能配置進行設(shè)置，一般取1-10.在進行全流場計算時，您可以在口環(huán)、渦殼隔舌、壓力梯度大的區(qū)域進行局部加密，局部加密時，需要注意網(wǎng)格變化不能太劇烈。為了提高計算精度和粘性底層的影響，先畫好邊界層網(wǎng)格，再畫體網(wǎng)格。在FLUENT 中，您可以根據(jù)計算的結(jié)果，用Adapt-Gradient 對壓力梯度大的區(qū)域進行加密，如下圖所示。 在這個過程中，網(wǎng)格網(wǎng)格劃分可可能出現(xiàn)各種各樣ERROR ，您需要耐心的尋找問題的根源，修改模型。網(wǎng)格檢

4、查界面見上圖。網(wǎng)格劃分在數(shù)值計算中約占到70%的工作量，也是對計算精度影響最大的因素之一，詳細(xì)的網(wǎng)格劃分技術(shù)請參考相關(guān)教程。邊界條件軟件平臺：GAMBIT2.2.30。邊界條件設(shè)置1. 設(shè)置體的類型比如FLUID,SOLID. 見下左側(cè)圖。水泵的流動域都為流體。故設(shè)置為FLUID 。運用動靜參考系處理旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止泵體的耦合問題。葉輪：設(shè)置為運動參考系泵體和其他流動域：設(shè)置為靜參考系2. 設(shè)置面的邊界條件(1泵的進口一般來說定流量，計算揚程的時候，設(shè)置為速度進口。若根據(jù)揚程，計算流量，設(shè)置進口和出口的壓力，也就是說設(shè)置進口壓力條件和出口壓力條件。(2泵的出口通常使用的是 OUTFLOW 和 P

5、RESSURE OUTLET.(3葉輪表面設(shè)置為壁面wall.(4泵體和其他靜止部件的壁面設(shè)置為壁面wall.(4泵體和泵體耦合面若葉輪和泵體進行裝配的(具有兩個面, 分別設(shè)置為INTERFACE.若葉輪的泵體的水體是一個體, 可以用面SPLIT, 生成一個面, 默認(rèn)為interior. 設(shè)置流動域流體屬性 a 設(shè)置流動域流體屬性 b 設(shè)置面邊界條件（一） c 設(shè)置面邊界條件（二）設(shè)置面邊界條件（二）文件保存與輸出網(wǎng)格文件可以保存為DBS 格式，該格式可以對模型做修改。導(dǎo)入FLUENT 文件，請輸出mesh 格式，見下圖所示。 FLUENT 傻瓜操作軟件平臺：FLUENT6.2.16計算類型：

6、三維定常葉輪渦殼耦合計算說明：沒有考慮泵腔中的流動和容積損失。導(dǎo)入mesh 格式網(wǎng)格文件File-Read-Case-選擇你要導(dǎo)入的文件檢查check如下圖所示，觀測數(shù)據(jù)與您的模型是否一致，檢查是否有負(fù)體積存在，存在負(fù)體積的網(wǎng)格一般很難收斂。 面網(wǎng)格顯示 光順網(wǎng)格Grid-Check點擊Smooth 和Swap ，直到0 remaining iteration 和 number faces swapped:0。 設(shè)置單位Grid-Scale ，一般都轉(zhuǎn)換為mm 設(shè)定轉(zhuǎn)速單位Define-Unit 選擇湍流模型Define-Models-Viscous 若不考慮傳熱，不需要對能量方程進行設(shè)置，直

7、接默認(rèn)。對于不可壓流體，solver 不需要設(shè)置，直接使用默認(rèn)的隱式求解。Model 項只需要對湍流模型進行設(shè)置，其他的全部默認(rèn)。設(shè)定流體屬性Define-Materials-Fluent Database FLUENT 的計算需要與工程實踐相結(jié)合，對于某種類型的模型需要積累成熟的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置經(jīng)驗。并不是說，對于單個泵計算誤差絕對小于95%。個人認(rèn)為，對于水泵來說，目前很難做到這一點。設(shè)定邊界條件1. 葉輪內(nèi)流體運用動靜參考系解決運行葉輪和泵體間的動靜耦合問題。葉輪內(nèi)流體設(shè)置為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，設(shè)置轉(zhuǎn)速n, 比如n=3500rpm,2900rpm等。運動方向運用右手法則判定。 2. 渦殼（

8、泵體）內(nèi)流體渦殼內(nèi)流體設(shè)置為靜止。 3. 葉輪進口一般來說，定流量，計算揚程的情況，進口采用速度進口。設(shè)置如下圖。 3. 葉輪出口葉輪出口通常采用自由出流條件，存在明顯回流影響收斂的情況下，一般采用壓力出口。 3. 葉片表面設(shè)置為wall ，相對于葉輪為靜止。可以設(shè)置表明粗糙度。 交接面設(shè)置Define-Grid interface 松弛因子設(shè)置Solve-Control-Solution一般來說，采用默認(rèn)值。若難收斂，或者收斂不理想，可以把松弛因子調(diào)小。一般采用一階計算收斂后，再調(diào)整為二階計算，這樣收斂相對理想一些。 殘差監(jiān)控Solve-Monitors-Residual設(shè)置收斂精度，一般設(shè)

9、置為1e-06. 為了準(zhǔn)確判定收斂，對于定場計算，給定速度進口時，監(jiān)控進口和出口總壓，當(dāng)進口和出口總壓恒定時，認(rèn)為已經(jīng)收斂。如果進出口設(shè)置得為壓力邊界條件，監(jiān)控流量，當(dāng)進口和出口流量恒定時，認(rèn)為已經(jīng)收斂。 初始化采用進口速度值，進行初始化。 Solve-Initialize-Initialize 迭代設(shè)置 Solve-Iterate 殘差圖 創(chuàng)建ISO 面Surface-Iso-surface創(chuàng)建中截面，或者其他您需要后處理的面。 壓力云圖Display-Counters選擇Pressure-Static Pressure 湍動能云圖Display-Counters選擇Turbulence.-

10、Turbulence Kinetic Energy 速度顯示1. 葉輪內(nèi)相對速度Display-Vectors-Relative Velocity 2. 渦殼（泵體）內(nèi)速度Display-Vectors-Velocity 性能預(yù)測 1.報告進出口壓力 Report-Surface Integrals-Area-Weight Average 2.報告葉輪作用力矩 Report-Force-Moment 外特性計算 1.在 FLUENT 中，流場中某一點的總壓定義為 使用 FLUENT 中面積分的功能，求出泵進口和出口的總壓。利用伯努利方程，預(yù)測出泵的揚程。 2.揚程計算公式 3.葉片消耗功率 使用 FLUENT 中力矩報告功能，求出葉輪對旋轉(zhuǎn)軸 z 的力矩，則數(shù)值計算中的葉輪輸入功率為 4.水力效率 數(shù)值計算時沒有考