基于Fluent 14.5離心泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬教程

1、基于Fluent14.5離心泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬教程內(nèi)容摘要：一、描述隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，許多領(lǐng)域?qū)λ靡笤絹碓礁摺鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已無法滿足快節(jié)奏、高要求的現(xiàn)代社會(huì)。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，為水泵設(shè)計(jì)也帶來了更好的研究方法。應(yīng)用CFD技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)水泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，可以快速獲得外特性曲線，_、描述隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，許多領(lǐng)域?qū)λ靡笤絹碓礁?。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已無法滿足快節(jié)奏、高要求的現(xiàn)代社會(huì)。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，為水泵設(shè)計(jì)也帶來了更好的研究方法。應(yīng)用CFD技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)水泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行虎擬試驗(yàn)，可以快速獲得外特性曲線，并且能夠更好的在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)

2、泵內(nèi)部流動(dòng)所產(chǎn)生的漩渦、二次流、邊界分離、喘振、汽蝕等不良現(xiàn)彖，通過改進(jìn)以提高產(chǎn)品可靠性。本教程采用IS80-65-125型水泵的水力模型，通過具體步驟希望廣人同行能快速掌握運(yùn)用Fluent對(duì)水泵進(jìn)行CFD模擬的步驟方法。二、建模采用Creo2.0M020（Peo/Engmeer）進(jìn)行建模。本次教程不考慮葉輪前后蓋板與泵腔間的液體（事實(shí)證明對(duì)實(shí)際結(jié)果有一定影響，為了教程方便因此不予考慮，人家可以在實(shí)際工作中加入對(duì)前后腔體液體），建模只考慮進(jìn)II管部分、葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域部分、蝸殼部分。對(duì)于出II管，可以根據(jù)模型的特征進(jìn)行判別，本次模擬是由于出丨I管路對(duì)實(shí)際模擬結(jié)果影響很小,不存在尺寸急變等特征，因此

3、去掉了出II管段，以減少網(wǎng)格數(shù)量。建模如圖所示：圖1建立流道模型三、網(wǎng)格劃分建模完成后，導(dǎo)出*x_t（或其他格式）格式，導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分軟件有很多，各有各的優(yōu)勢(shì)，主要采用自己熟練的一種即可。本次教程采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。進(jìn)11段為直錐型結(jié)構(gòu)，采用六面體網(wǎng)格。葉輪和蝸殼部分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（也可以采用六面體網(wǎng)格，劃分起來比較麻煩）。對(duì)于工程應(yīng)用，可以采用不劃分邊界層網(wǎng)格，劃分邊界層網(wǎng)格比較費(fèi)時(shí)間，生成的網(wǎng)格數(shù)量也很高，但是從模擬的外特性曲線來看,差別不是很大，但是對(duì)于研究邊界層流動(dòng)對(duì)性能的影響，就必須劃分邊界層，對(duì)于采用有些壁面條件，也必須劃分邊界層（該部分查看其

4、它教程）。劃分的網(wǎng)格情況如圖所示：圖2進(jìn)門段網(wǎng)格圖3蝸殼部分網(wǎng)格圖4葉輪區(qū)域網(wǎng)格八wwwlarrnaoarw.e圖5整體網(wǎng)格裝配四、Fluent設(shè)置，并進(jìn)行計(jì)算1、啟動(dòng)并設(shè)置Fluent雙擊Fluent14.5圖標(biāo)，彈出如圖界面，進(jìn)行求解器設(shè)置和計(jì)算精度。一般對(duì)于三維模擬，需要首先選擇三維模式，精度叫以選取為雙精度，也町以不選雙精度，雙精度比單精度計(jì)算精度要高，但是時(shí)間要長(zhǎng)。選擇并行模式可以加快計(jì)算速度，減少網(wǎng)格占用的內(nèi)存鼠。在設(shè)置界面還可以設(shè)置啟動(dòng)后界面、仏示，WorkbenchColorWmdow為背景顯示模式,勾選后Fluent14.5啟動(dòng)后顯示網(wǎng)格的圖形界面為Workbench的默認(rèn)背

5、景（藍(lán)色），如果不選則為黑色背景。背景可以再Fluent啟動(dòng)后設(shè)置。DisplayMeshAfterReading為讀入網(wǎng)格后是否顯示網(wǎng)格，勾選后，讀入網(wǎng)格后默認(rèn)狀態(tài)為顯示網(wǎng)格，不勾選則不顯示。展開ShowFewerOptions按鈕，可以或多更多的設(shè)置，如工作目錄等。Z2FluentLatincher|ANSYS|FluentLauncherOptions了DoublePecisionMeshingModeDisplayOptionsDisplayMeshAfterReadingVEmbedGraphicsWindo陽WorkbenchColorSchemeUseJobSchedulerUs

6、eRemoteLinuxNodesProcessingOptionsOSerialoParallel(LocalMachine)Numberof日ShowFewerOptions圖5啟動(dòng)Fluentl4.52、導(dǎo)入網(wǎng)格導(dǎo)入網(wǎng)格可以通過卞拉菜單【File】tReadtMesh.或者直接在Fluentl4.5界面下的“Readafile”下拉按鈕下進(jìn)行讀入網(wǎng)格。如果啟動(dòng)Fluent后設(shè)置為默認(rèn)顯示網(wǎng)格，則讀入網(wǎng)格后會(huì)在圖形面板顯示網(wǎng)格，如果沒有設(shè)置，可以點(diǎn)擊左邊General按鈕，在General選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊Display,并選取需要顯示的網(wǎng)格，并點(diǎn)【Display進(jìn)行顯示。FileMeshDef

7、ineSolveAdaptSurfaceDisplayRepor|ReadMesh.WriteCase.Na.瞬窓合色nF5050ImportExport圖6讀入網(wǎng)格方法18、由nbm：WeHHpFHawiCHZoneOWS&ndfCoMtarnW*命込町SoKiWnMeecA處tan52NcrXjESc*Til頭、，&央ns口*0?r*wMdWoo打UrUMA0MmqUvMHWTreOTrytItanMaiM仙CefcUHortG如XKSQGrBfmMJWvwtnZJUpeiti5S圖8導(dǎo)入并顯示網(wǎng)格3、縮放網(wǎng)格Fluent啟動(dòng)后默認(rèn)長(zhǎng)度單位為m,有些模型在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)默認(rèn)的單位長(zhǎng)度是nu

8、n,所以必須進(jìn)行網(wǎng)格縮放。在General選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊Scale.按鈕，彈出縮放對(duì)話框。如圖所示：MeshingMeshGenerationSolutionSetupModelsMaterialsPhasesCellZoneConditionsBoundaryConditionsMeshInterfacesDynamicMeshReferenceValuesSolutionSolutionMethodsSolutionControlsMonitorsSolutionInitializationCalnilatinnArtivitipSmootlVSwap,彈出網(wǎng)格光順對(duì)話框，設(shè)置合適的值，并進(jìn)

9、行光順。Smooth/SwapM.圖11網(wǎng)格光順5、轉(zhuǎn)速單位設(shè)定Fluent默認(rèn)的角速度單位為rad/s,我國一般采用r/nun,如果轉(zhuǎn)速為r/nuii則在General選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊【Units.按鈕進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置角速度單位為ipm(r/min),如圖所示：圖12設(shè)置轉(zhuǎn)速單位6、設(shè)置運(yùn)行環(huán)境（重力場(chǎng)）在General選項(xiàng)卡中，勾選GravitynJ選對(duì)話框，進(jìn)行重力加速度設(shè)置。如圖所示:V：GravityGravitationalAcceleration7、求解器設(shè)置在General選項(xiàng)卡中設(shè)置求解器。本次教程采用定常模擬，因此設(shè)置為穩(wěn)態(tài)、單元壓力梯度、絕對(duì)速度。如圖9所示8、設(shè)置計(jì)算模型點(diǎn)擊

10、Models按鈕，彈出ViscousModel設(shè)置對(duì)話框。選擇k-epsilon選項(xiàng)并進(jìn)入k-設(shè)置。本教程采用標(biāo)準(zhǔn)k模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。如圖所示：MeshingSolutionSetupModelInvisadLaminarModelConstants0.09DynamicMeshReferenceValiSolutionSolutionMetiSolutionConMonitorsSolutionInitibpaiarr-AHmarasok-epsilon(2eqn)Transitionk-kl-omega(3eqn)TransibonSST(4eqn)ReynoldsStress(7eqn

11、)Scale-AdaptiveSimulation(SAS)DetachedEddySimulation(DES)LargeEddySimulation(LES)epsilonModeloStandardRNGRealizableResultsGraphicsandPlotsReportsNear-WallTreatmentoStandardWallFunotionsScalableWallFunctionsNon-EquilibriumEnhancedWallTreaf4)三User-DefinedWallCl-EpsilonC2-EpsilonTKEPrandtlNumberUser-De

12、finedFunctionsnonePrandtlNumbersTKEPrandtlNumbernoneVTDRPrandtlNumbernoneTurbulentViscosityViscousModelptionsElCurvatureCorrection圖14設(shè)置計(jì)算模型9、定義材料Fluent默認(rèn)流體材料只有air(空氣)，因此需要添加清水或其他流體。點(diǎn)擊Matemds按鈕，在Materials選項(xiàng)卡中單擊Create/Edit.按鈕，彈出創(chuàng)建/編輯材質(zhì)對(duì)話框，單擊【FluentDatabase.按鈕彈出Fluent材質(zhì)數(shù)據(jù)庫對(duì)話框，在FluentFluidMaterials中找到wa

13、tei-liquid(li2o),并單擊【Copy】按鈕完成對(duì)清水的添加。如圖所示：3Create/EditMaterialsSoMakminumSoLbonSetupGeneralMarneOrderre|EmbeddedLES|Reacbon|SourceTerms(AxedVoluec；MJnphoocFrame2MwhMotionPnrot7nnrIv/ater-ijqudt1u二_RxcdValuer圖17定義葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置進(jìn)II段、蝸殼區(qū)域。過程略同葉輪區(qū)域。區(qū)別是沒有FrameMotion選項(xiàng)，為靜止區(qū)域。如圖所示：2_PoraZWRe6e*wcePrne|PorfrxZcce

14、BrbeddetSLESRcxtcn|SorerTermsRdYabw|HJtphMC:丫RouoandvMxs|HJtphMcftMorvAsttCrnAoCMrvAiftObrctb圖19定義蝸殼區(qū)域流體11、進(jìn)、出口設(shè)置邊界條件點(diǎn)擊BoundaiyConditions按鈕，在BoundaryConditions選項(xiàng)卡中選擇進(jìn)II（這里我為其命名為inlet）,并在Type類型里選擇合適的類型（這里我選擇的是質(zhì)量流量進(jìn)I丨massflow-mlet）,選擇Edit按鈕，彈出MassFlowInlet設(shè)置對(duì)話框在傘中設(shè)置合適的值、參數(shù)，其余可保持默認(rèn)，也可以在Turbulence中設(shè)置合理的

15、初始值，可有利于提高計(jì)算精度。注意這里的湍動(dòng)能和湍流耗散率是估算的，估算方法請(qǐng)參閱相關(guān)資料。如圖所示：MeshingMeshGenerabonSdubonSetupGeneralriiBoundaryConditionsZoneNamecletMomentumThermalRationReferenceameZ2Mass-FlowInlet廠io：ted_matena_MetopeDynamicMeshReferenceValuesSohtonSobtonMethodsSokrtxxiControlMontoesSolutXMiImualtzatxxiCakUaoonActztesRunCai

16、culdtonResdtsGrdpHcsoxiAnimabonsPlotsReportsnterface-shell/SpeofkattonMMassFlowRatethodSupersonic/lnibalGougePressure(pml)gDrectonSpeoficanonMTypeIDmxturc3LW一iimd$5-flowPeriodk:Condibons.圖20設(shè)置進(jìn)出口邊界條件12、旋轉(zhuǎn)壁面設(shè)置旋轉(zhuǎn)壁面主要是葉輪上的壁面。這里我將旋轉(zhuǎn)面分為了兩部分，分別是葉片部分和葉輪蓋板部分。設(shè)置為移動(dòng)壁面。相對(duì)于流體單元區(qū)域旋轉(zhuǎn)、無滑移壁面。設(shè)置如圖所示：MeshngMe才Gcnerot

17、onSohtonSetupGeneraiModebWatcnakPhases3SoiuttoSUCSSolubonControlMonitorsSoutonIniwizat)onCdkulatonAMgsRunCajhtionResultsGraphsd*dAnmaoonsRiotsRepo!sWallMotxxiStabonaryW,oSnsWaflfitter2led.mdtermqeatedjnt*rK.dore.1ProfParameten7|opOTttrgCan(ftkDepiayMes.-MghtZooe廠Translat)onalQRotaDonaiComponentsDota

18、tion-AxisOrnZonerme冷ssmtxUreoRelath-etoAdjacentCelZoneCAbsolute77YRdAabonk/m|如tiphase|UDS|V/alF*t)|WanRoughnessX的)q-:隔F卩_pouxYzp-p-RoughrssH6ght(mm)了constantconstantOKCncrijHelp圖21設(shè)置葉片壁面條件MeshngGencraoonSoLtxnSetipBoundaryConditions2Wall彈MeshGeneralMocfefcMatenafc|c3rzS?on3lST|II址1)tendAdjoccntCdZon

19、edocnai-weler*otonSciutcnMethodsSciubcnControlsMonitorsSckrtwnInrbal(zdtonCalojiatKn員czoesUjiCdaJMocStotwryWafloFvngWaloRelatrvetoAdjacentCelZoneAbsoluteResultsTypeExture:MiTransfetwa/。RoUbonComponentsRotation-A$OrgnX(wn)辰GraphcsandAnraoonsPtotsReportsY(nw)!mu.jrcwParameters.opcrangDepia/Mesh.HhktZo

20、neoNoSJpSpecfiedScarSpeoJantyCoeffioenttararor*StressSoeed(rpro-Rotabon-AwsDiilppEYzlZoneNamewal-rpdtef-rotate圖22設(shè)置葉輪前后面壁面條件壁面邊界條件在模擬的時(shí)候，如呆要考慮壁面的粗糙度，還要填寫WallRoughness中的RoughnessHeight參數(shù)。該值對(duì)模擬出的揚(yáng)程、扭矩都有一定的影響。RouglmessConstant可以保持默認(rèn)（對(duì)結(jié)杲也有影響）。蝸殼、進(jìn)出丨I段的壁面粗糙度設(shè)置類似，后面不再贅述。13、設(shè)置進(jìn)口壁面、蝸殼壁面邊界條件對(duì)于如進(jìn)II、蝸殼等靜止區(qū)域的壁面

21、邊界條件，可以保持默認(rèn)狀態(tài)，也可以進(jìn)如Wall設(shè)置對(duì)話框。相對(duì)于12步驟旋轉(zhuǎn)壁面設(shè)置，在中設(shè)置WallMotion為StationaiyWall、NoSUp即可（或者加上考慮粗糙度）。14、設(shè)置交界面點(diǎn)擊MeshInterfaces.在MeshInterfaces選項(xiàng)卡中單擊Create/Edit.按鈕彈出對(duì)話框，在中設(shè)置交界面名稱并在InterfaceZone1和InterfaceZone2中選擇交界面。如圖所示：Meshnqr-teshGenerabonSobbonSetupGeneralModelsMeshInterfacesMEInterfacesirrpder-5heflntetpi

22、pe-rpdefPhasesCeiZoneCondttxvsandAnmdboPtot?ReportsSolutionControlMomtocsSoluttonIhtiahdtionCakulabonAcbMbesRunCekUabonResultsMaiding勺忙&xjaryCooj訂cn圖23設(shè)置交界面注意：在Fluentl4.5版本中交界面是可以多選的，但不能重復(fù)。這里的交界面只有兩對(duì),設(shè)置比較簡(jiǎn)單。如果交界面設(shè)立的比較多，可以考慮采用命令行進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置方法如下:definemesh-interfacescreateunpeller-mletpipemtei-face-unpell

23、ei-inletpipe（回車）mteiiace-Hiletpipe-unpeller（回車）（回車）（回車）（回車）createunpeller_shellmteiiace-unpeller-shell（回車）mteiiace-shell-unpeller（回車）（回車）（回車）（回車）createquitquit（回車）命令可以參考Fluent幫助文檔或相關(guān)書籍。15、檢查網(wǎng)格之所以把檢查網(wǎng)格放在設(shè)置交界面之后，是因?yàn)樵贔luent14.5版本中，如果有交界面的存在，沒有設(shè)置的話會(huì)出現(xiàn)警告提示。設(shè)置完交界面后就沒有提示了。此步最好在一開始就檢查，壁面前面不必要的過程。檢查網(wǎng)格在Genera

24、l選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊【Check】按鈕即可。檢測(cè)通過標(biāo)準(zhǔn)為最小體積為正值。當(dāng)然在高版本中町以忽略此步，因?yàn)樵趯?dǎo)入網(wǎng)格的時(shí)候如果存在負(fù)體積網(wǎng)格Fluent會(huì)給出錯(cuò)誤提示。當(dāng)然，我們?cè)诰W(wǎng)格劃分的時(shí)候只要仔細(xì)點(diǎn)就不會(huì)出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格。16、設(shè)置求解方法SecondOrderUpwrdTurbulentKcebcEnergySecondOrderUpwindLeastSquaresCelBasedGeneralModelsMatenaSPhasesCellZoneCondtionsBouTdaryConaoonsMeshInterfecesDynamcMeshReferencevabesSolutionMet

25、hodsPressureStandardMomentumTurbulentOsspationRateSecondOrderUpwndTNon-IterativeTinljFrozenFhxFocmj1PseudoTranaentHjhOrderTerm(|Default點(diǎn)擊SolutionMethods,在SolutionMethods選項(xiàng)卡中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。在中可以選擇SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled算法。相關(guān)研究指出，對(duì)于離心泵定常模擬，SIMPLEC、SIMPLE算法更接近實(shí)驗(yàn)值，當(dāng)然你也可以都算一遍，并總結(jié)出自己的規(guī)律。在中設(shè)置曲線變化率、壓力耦合算法、迎風(fēng)格式（二

26、階迎風(fēng)格式對(duì)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更高的精度，相關(guān)資料請(qǐng)參閱Fluent相關(guān)書籍）等。如圖所示：ISoiuMnRuncJtawrfSnResultsGraohicsandAmnatonsPtotsReports圖24設(shè)置求解方法16、求解控制在SolutionContro1選項(xiàng)卡中設(shè)置欠松弛因子，以改變收斂速度，一般此處不用修改,除非收斂困難時(shí)町以以修改。欠松弛因子的人小設(shè)置是有區(qū)別的，請(qǐng)參閱相關(guān)手冊(cè)。如圖所MeshingMeshGenerationSolutionControlsJnder-RelaxationFactorsSolutionSetupGeneralModelsMaterialsPh

27、asesCellZoneConditionsBoundaryConditionsMeshInterfacesDynamicjifishReferfirTlESSolution丄丿SolubonInibahzationCalculationActivitiesRunCalculationResultsGraphicsandAnimationsPressureTurbulentKineticEnergy0.8Equations.Limits圖25求解控制17、監(jiān)視殘差具體設(shè)置步驟如圖所示，其中Plot按鈕可以在計(jì)算獲得結(jié)果后任何時(shí)候查看曲線。MeinQKeshGeneraoonSoLtonS：mp

28、GenerdMatenateMonitorsCrfZoneConditionsBoundaryCoboosInterneesDynamcMeshCakulabonActrzoesRunCkitlonResetsGraphicsandAnmatonsPlotsC心工，rVolumeMorttors1/l：CMooi10S口RZdualMonitiSquaDonsx-vdootyy-vdoatyNorma加(3vcs.AxcsIterauonstoPlot1000IterationstoSterelioooV片cttoConsolefZPtot0.0010.001CreateMt.)fSurfaceMonitors5、?Scate)ComputeLocalScalePlotBtonormaizeCencti圖26設(shè)置殘差18、創(chuàng)建檢測(cè)點(diǎn)與17步同一個(gè)選項(xiàng)卡下，在Surface中單擊創(chuàng)建按鈕進(jìn)行設(shè)置。本次我們關(guān)心出I】總壓的變化，因此對(duì)出丨I進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)出II壓力的監(jiān)測(cè)，可以大體判斷是否收斂。當(dāng)殘差計(jì)算到一定精度時(shí)，觀察出II壓力不再變化，并查看進(jìn)出丨I流率是否相等即可判斷收斂。MwhngMe