基于Fluent的水泵流動(dòng)區(qū)域的CFD數(shù)值計(jì)算模型

1、CFD數(shù)值計(jì)算模型軟件平臺(tái)：PRO-E3.0理論上，水泵的進(jìn)口到出口的流動(dòng)區(qū)域就是我們的計(jì)算模型。一般，全流場(chǎng)算域分為5部分：1.葉輪進(jìn)口段2.葉輪內(nèi)流動(dòng)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(jì)算的時(shí)候運(yùn)用流動(dòng)域1、2、5、6,最簡(jiǎn)化的為流動(dòng)域2、5.計(jì)算模型可以運(yùn)用PRO-E，UG，CATIA等三維造型軟件，具體的造型過(guò)程和步驟請(qǐng)點(diǎn)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(dòng)域可以分別造型，然后進(jìn)行裝配.簡(jiǎn)單的模型可以運(yùn)用FLUENT前處理軟件GAMBIT中進(jìn)行.下圖為某型號(hào)紙漿泵，計(jì)算模型包括：1.葉輪進(jìn)口段，2.葉輪內(nèi)流動(dòng)域，3.泵體前腔，4.泵體后

2、腔，5.泵體（渦殼） 某型號(hào)紙漿泵計(jì)算模型下圖為某型號(hào)低比速離心泵計(jì)算模型，包括：1.葉輪內(nèi)流動(dòng)域，2.泵體（渦殼）。模型作了簡(jiǎn)化，沒(méi)有考慮腔體中的流動(dòng)。某型號(hào)低比速離心泵計(jì)算模型下圖為某型號(hào)的循環(huán)泵全流場(chǎng)計(jì)算模型，包括所有的流動(dòng)區(qū)域。某型號(hào)循環(huán)泵計(jì)算模型計(jì)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(dá)到事半功倍的效果。網(wǎng)格劃分軟件平臺(tái)：GAMBIT2.2.30。計(jì)算模型導(dǎo)入步驟File-Import,見(jiàn)下圖。  導(dǎo)入計(jì)算模型,輪廓圖見(jiàn)下圖。 a面合并界面 b網(wǎng)格分界面 c 網(wǎng)格質(zhì)量檢查&#

3、160;模型處理好后,分別對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分通常,葉輪和泵體的幾何現(xiàn)狀不規(guī)則，運(yùn)用T-Grid類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距根據(jù)模型大小和計(jì)算機(jī)性能配置進(jìn)行設(shè)置，一般取1-10.在進(jìn)行全流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，您可以在口環(huán)、渦殼隔舌、壓力梯度大的區(qū)域進(jìn)行局部加密，局部加密時(shí)，需要注意網(wǎng)格變化不能太劇烈。為了提高計(jì)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(jì)算的結(jié)果，用Adapt-Gradient對(duì)壓力梯度大的區(qū)域進(jìn)行加密，如下圖所示。  在這個(gè)過(guò)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(wèn)題的根源，修改模型。網(wǎng)格檢查界面見(jiàn)上

4、圖。網(wǎng)格劃分在數(shù)值計(jì)算中約占到70%的工作量，也是對(duì)計(jì)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(qǐng)參考相關(guān)教程。邊界條件軟件平臺(tái)：GAMBIT2.2.30。邊界條件設(shè)置1.設(shè)置體的類型比如FLUID,SOLID.見(jiàn)下左側(cè)圖。水泵的流動(dòng)域都為流體。故設(shè)置為FLUID。運(yùn)用動(dòng)靜參考系處理旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止泵體的耦合問(wèn)題。葉輪：設(shè)置為運(yùn)動(dòng)參考系泵體和其他流動(dòng)域：設(shè)置為靜參考系 2.設(shè)置面的邊界條件(1)泵的進(jìn)口一般來(lái)說(shuō)定流量，計(jì)算揚(yáng)程的時(shí)候，設(shè)置為速度進(jìn)口。若根據(jù)揚(yáng)程，計(jì)算流量，設(shè)置進(jìn)口和出口的壓力，也就是說(shuō)設(shè)置進(jìn)口壓力條件和出口壓力條件。 (2)泵的出口通常使用的是 OUTFLO

5、W 和 PRESSURE 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(jìn)行裝配的(具有兩個(gè)面),分別設(shè)置為INTERFACE.若葉輪的泵體的水體是一個(gè)體,可以用面SPLIT,生成一個(gè)面,默認(rèn)為interior.           設(shè)置流動(dòng)域流體屬性a設(shè)置流動(dòng)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)

6、格文件可以保存為DBS格式，該格式可以對(duì)模型做修改。導(dǎo)入FLUENT文件，請(qǐng)輸出mesh格式，見(jiàn)下圖所示。 FLUENT傻瓜操作軟件平臺(tái)：FLUENT6.2.16計(jì)算類型：三維定常葉輪渦殼耦合計(jì)算說(shuō)明：沒(méi)有考慮泵腔中的流動(dòng)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(cè)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(diǎn)擊Smooth和Swap，直到0 remaining iterat

7、ion 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(duì)能量方程進(jìn)行設(shè)置，直接默認(rèn)。對(duì)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(xiàng)只需要對(duì)湍流模型進(jìn)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(jì)算需要與工程實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)于某種類型的模型需要積累成熟的網(wǎng)格劃分和邊界條

8、件設(shè)置經(jīng)驗(yàn)。并不是說(shuō)，對(duì)于單個(gè)泵計(jì)算誤差絕對(duì)小于95%。個(gè)人認(rèn)為，對(duì)于水泵來(lái)說(shuō)，目前很難做到這一點(diǎn)。設(shè)定邊界條件1.葉輪內(nèi)流體運(yùn)用動(dòng)靜參考系解決運(yùn)行葉輪和泵體間的動(dòng)靜耦合問(wèn)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(yùn)動(dòng)方向運(yùn)用右手法則判定。2.渦殼（泵體）內(nèi)流體渦殼內(nèi)流體設(shè)置為靜止。 3.葉輪進(jìn)口一般來(lái)說(shuō)，定流量，計(jì)算揚(yáng)程的情況，進(jìn)口采用速度進(jìn)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(duì)于葉輪為靜止?？梢栽O(shè)置表明粗糙度。&#

9、160; 交接面設(shè)置Define-Grid interface  松弛因子設(shè)置Solve-Control-Solution一般來(lái)說(shuō)，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(jì)算收斂后，再調(diào)整為二階計(jì)算，這樣收斂相對(duì)理想一些。 殘差監(jiān)控Solve-Monitors-Residual設(shè)置收斂精度，一般設(shè)置為1e-06.為了準(zhǔn)確判定收斂，對(duì)于定場(chǎng)計(jì)算，給定速度進(jìn)口時(shí)，監(jiān)控進(jìn)口和出口總壓，當(dāng)進(jìn)口和出口總壓恒定時(shí)，認(rèn)為已經(jīng)收斂。如果進(jìn)出口設(shè)置得為壓力邊界條件，監(jiān)控流量，當(dāng)進(jìn)口和出口流量恒定時(shí)，認(rèn)為已經(jīng)收斂。 初始化采用進(jìn)口速度值，進(jìn)行

10、初始化。Solve-Initialize-Initialize 迭代設(shè)置Solve-Iterate殘差圖 網(wǎng)格劃分界面創(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(dòng)能云圖Display-Counters 選擇Turbulence.-Turbulence Kinetic Energy  速度顯示1.葉輪內(nèi)相對(duì)速度Display-Vectors-Relative Velocity  2.渦殼（泵體）內(nèi)速度Display-Vectors-Velocity 性能預(yù)測(cè)1.報(bào)告進(jìn)出口壓力Report-Surface Integrals-Area-Weight Average  2.報(bào)告葉輪作用力矩Report-Force-Moment外特性計(jì)算1.在FLUENT中，流場(chǎng)中某一點(diǎn)的總壓定義為使用FLUENT中面積分的功能，求出泵進(jìn)口和出口的總壓。利用伯努利方程，預(yù)測(cè)出泵的揚(yáng)程。  2.揚(yáng)程計(jì)算公式 3.葉片消耗功率使用FLUENT中力矩報(bào)告功能，求出葉輪對(duì)旋轉(zhuǎn)軸z的力矩，則數(shù)值計(jì)算中的葉輪輸入功率為  4.水力效率&