ANSYS教學算例集FL 離心泵葉輪氣蝕模擬課件

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30,2023 ANSYS

Confidential離心泵葉輪氣蝕模擬摘要在分析泵系統(tǒng)的性能時，氣蝕出現(xiàn)會顯著影響泵的性能。氣蝕是由于局部壓力低于當前溫度下液體的飽和蒸汽壓力，產(chǎn)生的汽化現(xiàn)象。產(chǎn)生氣蝕時，管路容易充滿氣泡，導致泵的性能曲線下降、能耗上升，還會產(chǎn)生振動和噪音，不僅影響泵的使用壽命和可靠性，而且對周邊產(chǎn)生噪音污染。因此仿真計算可以幫助設計工程師在產(chǎn)品設計時模擬水泵流量壓力變化時的氣蝕性能，從而指導工程師通過結構調(diào)整提高水泵的抗氣蝕性能。本算例使用ANSYS

Fluent

19.0軟件，對離心泵內(nèi)部流動進行仿真，文檔內(nèi)包含詳細的網(wǎng)格導入、模型選擇、材料物性、邊界條件、求解參數(shù)、后處理的設置。通過仿真計算獲得泵內(nèi)流場的形態(tài)及氣蝕狀況。ANSYS

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30,2023案例描述ANSYS

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30,2023本算例仿真對象為一離心泵，包含五個葉片，以2160rpm運作。流體通過進口管路進入到泵中，通過葉輪的做功，使流體最終沿著徑向方向流出。仿真中假設流動介質(zhì)為水，流動為穩(wěn)態(tài)。流體參數(shù)如下：液體密度：1000kg/m3液體粘度：0.001Pa

s蒸汽密度：0.01927kg/m3蒸汽粘度：8.8E-6Pa

s液體飽和蒸汽壓力：3540Pa本次計算假設液體以總流量210m3/hr進入進口，計算中將折算成速度入口邊界。液體進入進口假設為充分發(fā)展的湍流，進口湍流強度為5%。出口邊界條件設置

為均一的壓力出口條件，進口靜壓取決于出口絕對壓力。在當前case中，出口壓力設置為500000Pa。操作步驟ANSYS

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30,20233.1.創(chuàng)建工作目錄并啟動Fluent在硬盤上創(chuàng)建英文名稱的文件夾（例如Cavitation），將網(wǎng)格文件centrif-pump.msh.gz拷貝至該目錄下。啟動Fluent

19.0，在Fluent

Launcher中，

Dimension選擇3D，Display

Options中勾選Display

Mesh

After

Reading和Workbench

Color

Scheme，Processing

Options選擇Serial，設置使用單核計算（用戶可以根據(jù)現(xiàn)有的硬件資源和License授權酌情選擇合適的并行數(shù)），更改WorkingDirectory路徑至該網(wǎng)格文件目錄下，點擊OK啟動Fluent

19.0。操作步驟3.2.導入網(wǎng)格文件菜單中點擊【File】>【Read】>【Mesh…】，選取網(wǎng)格文件centrif-pump.msh.gz，點擊OK導入網(wǎng)格。此時，圖形界面中可以查看導入的網(wǎng)格。ANSYS

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30,2023操作步驟General一般設置在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【General】，進行網(wǎng)格相關的操作以及選擇求解器?？s放網(wǎng)格樹中點擊【Setup】>【General】>【Mesh】>【Scale…】，View

Length

Unit

In選擇

mm，以毫米為單位查看當前模型的尺寸范圍是否正確。ANSYS

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30,2023操作步驟3.3.2.調(diào)整轉(zhuǎn)速單位樹中點擊【Setup】>【General】>【Units】，在【Set

Units】界面下，選擇

Quantities為angular-velocity，選定右側Units單位為rpm（即以“轉(zhuǎn)/分”單位顯示和設置轉(zhuǎn)速）。ANSYS

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30,2023操作步驟3.4.Models模型設置在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Models】，進行物理模型設置。3.4.1.選擇湍流模型樹中【Setup】>【Models】>【Viscous】，鼠標左鍵雙擊Viscous，Model中選擇k-epsilon，k-epsilonModel中選擇Standard，Near-WallTreatment中選擇Standard

Wall

Functions，點擊OK完成設置。ANSYS

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30,2023操作步驟3.4.2.混合多相流模型設置樹中【Setup】>【Models】>【Multiphase】，鼠標左鍵雙擊Multiphase，Model中選擇Mixture，去選Slip

Velocity

[1]。保持Number

of

Eulerian

Phases中數(shù)值為2，點擊

OK完成設置。[1]當?shù)诙嘞啾绕鸬谝幌嗝芏刃『芏鄷r，可以不考慮滑移速度。ANSYS

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30,2023操作步驟3.5.Materials材料設置在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Materials】，進行材料物性設置。3.5.1.定義液態(tài)水屬性在Materials的Task

Page中選中點擊Fluent

Database…選項按鈕，在彈出的FluentDatabaseMaterials對話框中選擇water-liquid，點擊Copy按鈕，將液態(tài)水參數(shù)拷貝至Materials下。ANSYS

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30,2023操作步驟回到Create/Edit

Materials，在Properties下設置Density(kg/m3)值為1000，設置

Viscosity(kg/m-s)值為0.001。點擊Change/Create選項。3.5.2.定義水蒸氣屬性在Materials的Task

Page中選中點擊Fluent

Database…選項按鈕，在彈出的FluentDatabaseMaterials對話框中選擇water-vapor，點擊Copy按鈕，將水蒸氣參數(shù)拷貝至Materials下。ANSYS

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30,2023操作步驟回到Create/Edit

Materials，在Properties下設置Density(kg/m3)值為0.01927，設置

Viscosity(kg/m-s)值為8.8e-6。點擊Change/Create選項。ANSYS

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30,2023操作步驟3.6.混合相定義在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Models】>【Phases】，進行混合項定義。選擇phase-1–PrimaryPhase，點擊Edit…，在PhaseMaterial選擇water-liquid，點擊OK確認設置。ANSYS

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30,2023操作步驟選擇phase-2–PrimaryPhase，點擊Edit…，在PhaseMaterial選擇water-vapor，點擊OK確認設置?；氐絇hases面板，點擊Interaction…，在彈出的Phase

Interaction面板中，設置

Number

of

Mass

Transfer

Mechanisms為1，選擇Mass

Transfer欄下的To

Phase為phase-2，設置Mechanism為cavitation。ANSYS

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30,2023操作步驟設置空化模型后，彈出空化模型設置窗口。選擇Model為Schnerr-Sauer，CavitationProperties下Vaporization

Pressure設置為3540

pascal，點擊OK確認設置。ANSYS

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30,2023操作步驟3.7.CellZone

Conditions設置在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【CellZoneConditions】，進行體網(wǎng)格區(qū)域條件的設置。在Cell

Zone

Conditions的Task

Page中點擊Operating

Conditions…，選擇

Operating

Pressure為0

pascal，點擊OK確認。ANSYS

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30,2023操作步驟在CellZoneConditions的TaskPage中選中fluid點擊【Edit…】，在彈出的Fluid窗口中，勾選FrameMotion，在ReferenceFrame標簽欄下選擇Rotation-AxisDirection為0,0,1。（Fluent中轉(zhuǎn)動方向按照右手定則定義，Z=1代表繞z軸正方向旋轉(zhuǎn)。）在Rotational

Velocity中輸入Speed值為2160

rpm。點擊OK退出Fluid設置對話框。ANSYS

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30,2023操作步驟3.8.Boundary

Conditions設置在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【BoundaryConditions】，進行邊界條件的設置。ANSYS

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30,2023操作步驟3.8.1.定義速度進口邊界條件在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中inlet，點擊【Edit…】，彈出Velocity

Inlet窗口，Momentum選項卡中設置Direction

Specification

Method為Magnitude，NormaltoBoundary，設置VelocityMagnitude為7.0455m/s，設置Supersonic/Initial

Gauge

Pressure為450000。設置Turbulence下SpecificationMethod為Intensity

and

Hydraulic

Diameter，在TurbulentIntensity為5%，Hydraulic

Diameter為103mm。點擊OK完成設置。ANSYS

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30,2023操作步驟回到BoundaryConditions的TaskPage中，保持選中inlet，切換Phase中的phase-2，點擊【Edit…】。在打開的對話框中Multiphase標簽欄下設置Volume

Fraction為0。點擊OK確認設置。ANSYS

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30,2023操作步驟3.8.2.定義出口邊界條件在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中pressure-outlet-stator，確認其Type是pressure-outlet，如果不是，從Type的下拉菜單中切換選擇。確認將

Phase項設置調(diào)整為mixture，點擊【Edit…】，彈出Pressure

Outlet窗口，在

Momentum選項卡中，Gauge

Pressure設置為450000。點擊OK完成設置?；氐紹oundary

Conditions的Task

Page中，保持選中outlet，切換Phase中的phase-2，點擊【Edit…】。ANSYS

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30,2023操作步驟在打開的對話框中Multiphase標簽欄下設置BackflowVolumeFraction為0。點擊OK確認設置。ANSYS

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30,2023操作步驟3.8.3.周期邊界條件設置在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中periodic.10，確認Phase項為mixture，點擊【Edit…】，彈出Periodic窗口，設置PeriodicType為Rotational。點擊OK確認設置。同理，將periodic.11邊界設置成同樣的旋轉(zhuǎn)周期類型。ANSYS

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30,2023操作步驟ANSYS

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30,20233.8.1.定義壁面邊界條件1.定義出口輪轂、機匣及進口機匣邊界（hub-outer、shroud-outer、inlet-shroud），這三個邊界由于在物理上不旋轉(zhuǎn)，因此需要將其定義為靜止運動邊界。在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中hub-outer，確認其Type是wall，如果不是，從Type的下拉菜單中切換選擇。點擊【Edit…】，彈出Wall窗口，在Momentum選項卡中，選擇Wall

Motion為Moving

Wall，選擇Motion為Absolute，Rotational，Speed設置為0rpm，點擊OK完成設定。操作步驟回到BoundaryConditions的TaskPage中，點擊Copy…打開CopyConditions設置窗口，在From

Boundary

Zone中選擇hub-outer，在To

Boundary

Zones中選擇inlet-shroud、shroud-outer，點擊Copy完成復制邊界設置。2.定義轉(zhuǎn)子輪轂、機匣及葉片邊界（hub、shroud、blade），這三個邊界由于是隨著轉(zhuǎn)動部件，因此需要設置為旋轉(zhuǎn)邊界。在Boundary

Conditions的Task

Page中，鼠標左鍵單擊選中blade，確認其Type是wall，如果不是，從Type的下拉菜單中切換選擇。點擊【Edit…】，彈出Wall窗口，在

Momentum選項卡中，選擇Wall

Motion為Moving

Wall，選擇Motion為Relative

toAdjacent

Cell

Zone，Rotational，Speed設置為0rpm，點擊OK完成設定。ANSYS

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30,2023操作步驟回到BoundaryConditions的TaskPage中，點擊Copy…打開CopyConditions設置窗口，在From

Boundary

Zone中選擇blade，在To

Boundary

Zones中選擇hub、shroud，點擊Copy完成復制邊界設置。ANSYS

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30,2023操作步驟ANSYS

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30,20233.9.Solution

Methods求解方法設置在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Solution】>【Methods】，進行求解方法的設置。設置的Scheme為Coupled，設置Spatial

Discretization中的Gradient為Least

SquaresCellBased，Pressure為PRESTO!，Momentum為SecondOrderUpwind，其余為FirstOrderUpwind。操作步驟在最左側的樹中，鼠標左鍵雙擊【Solution】>【Controls】，進行松弛因子的設置。選擇Under-RelaxationFactors下TurbulentKineticEnergy為0.5，TurbulentDissipation

Rate為0.5，Turbulent

Viscosity為0.1。ANSYS

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30,2023操作步驟3.9.1.流場域內(nèi)出口流量監(jiān)視設置樹中【Solution】>【Monitors】>【ReportPlots】，鼠標左鍵點擊New…，進行自定義物理量的監(jiān)視設置。在彈出的New

Report

Plot窗口中，點擊New…，選擇Surface

Monitor>Area-Weighted

Average，并同時在Surface選項欄中選擇進口面inlet，勾選Report

Plot和Print

to

Console，點擊OK?；氐絅ew

Report

Plot窗口，點擊OK。ANSYS

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30,2023操作步驟3.10.Initialization初始化樹中【Solution】>【Initialization】，鼠標左鍵雙擊Initialization，在TaskPage中確認InitializationMethods選擇為StandardInitialization，點擊Computefrom下拉菜單，選擇inlet，點擊Initialize按鈕進行初始化。ANSYS

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30,2023操作步驟3.11.Run

Calculation運行計算樹中【Solution】>【Run

Calculation】，鼠標左鍵雙擊Run

Calculation，在TaskPage中的Number

of

Iterations輸入1500。點擊Calculate開始運行計算。運行計算開始后，可以在視圖窗口中看到殘差曲線和進口平均壓力曲線隨迭代步數(shù)的變化。ANSYS

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30,2023操作步驟ANSYS

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30,2023操作步驟計算進行了364步迭代后彈出Information窗口顯示計算已經(jīng)完成。點擊OK完成計算。計算所需要進行的迭代步數(shù)由以下三個因素共同決定：1. Convergence

Conditions中定義的平均值的監(jiān)視條件；2. Residual

Monitors中定義的殘差曲線的收斂標準；3. Run

Calculation中定義的Number

of

Iterations。以上三個條件任意一個達到滿足，計算即停止。當前的計算是因為達到最小殘差量級而停止。ANSYS

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30,2023操作步驟3.12.Post-processing后處理在最左側的樹中，使用【Results】中的相關工具，對計算結果進行后處理。3.12.1.檢查進出口流量平衡樹中【Results】>【Reports】>【Fluxes】，鼠標左鍵雙擊Fluxes，彈出FluxReports窗口。保持默認選項Options中Mass

Flow

Rate，選擇Boundary中inlet、outlet，點擊Compute按鈕顯示這些邊界上的流量。在NetResults(kg/s)中計算得到進出口凈流量為-0.01997364

kg/s，通常計算域內(nèi)流入流出差值與總流量的比值小于

0.5%可認為質(zhì)量守恒，此處遠小于0.5%可認為本次計算質(zhì)量流量平衡。ANSYS

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30,2023操作步驟3.12.2.顯示葉輪、輪轂面上的壓力樹中【Results】>【Graphics】>【Contours】，鼠標左鍵雙擊Contours，彈出

Contours窗口，在Options中勾選Filled，保持Contours

of中Pressure…>StaticPressure選項，在Surfaces對話欄中選擇blade、hub，點擊Save/Display顯示壓力分布。ANSYS

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