軸流泵的流固耦合

第五章軸流泵的流固耦合5-1流固耦合概論流固耦合問題普通分為兩類，一類是流‐固單向耦合，一類是流‐固雙向耦合。單向耦合應用于流場對固體作用后，固體變形不大，即流場的邊界形貌變化很小，不影響流場分布的，能夠使用流固單向耦合。先計算出流場分布，然后將其中的核心參數(shù)作為載荷加載到固體構造上。典型應用例如小型飛機按剛性體設計的機翼，機翼有明顯的應力受載，但是形變很小，對繞流不產生影響。當固體構造變形比較大，造成流場的邊界形貌發(fā)生變化后，流場分布會有明顯變化時，單向耦合顯然是不適宜的，因此需要考慮固體變形對流場的影響，即雙向耦合。例如大型客機的機翼，上下跳動量能夠達成5米，以及一切機翼的氣動彈性問題，都是由于兩者互相影響產生的。因此在解決這類問題時，需要進行流固雙向耦累計算。下面簡樸介紹其理論基礎。持續(xù)流體介質運動是由典型力學和動力學控制的，在固定產考坐標系下，它們能夠被體現(xiàn)為質量、動量守恒形式:(1)(2)式中，為流體密度；為速度向量；流體介質的體力向量；為應力張量；在旋轉的參考坐標系下，控制方程變?yōu)椋海?）（4）形式和固定坐標系下基本相似，只是速度變成了相對速度，另外就是增加了附加力項。固體有限元動力控制方程為：（5）式中，，，分別是質量矩陣，阻尼矩陣以及剛度矩陣，為載荷矩陣。流固耦合遵照最基本的守恒原則，因此在流固耦合交界面處，應滿足流體與固體應力、位移、熱流量、溫度等變量的相等或守恒，即滿足以下四方程：(6)(7)(8)(9)5-2單向流固耦合思路分析：軸流泵的單向流固耦合僅僅考慮流場對構造的影響，并不考慮構造變形對流場的影響，因此其數(shù)據(jù)的傳遞是單向的，流場和構造的分開計算，完畢流場計算之后將其作為構造的邊界條件加載到構造域上。本書通過ANSYS中Workbench模塊實現(xiàn)軸流泵葉片的單向流固耦合分析。ANSYS14-5Workbench平臺整合了ICEMCFD軟件，實現(xiàn)了ICEM參數(shù)化劃分網(wǎng)格的功效。本書的全部流程都將在Workbench平臺中進行。本例以軸流泵為幾何模型，流體域三維圖見下圖。流體域由四段構成，分別是：進口段、葉輪段、導葉段以及出口段。圖5-2-1構造三維造型圖2-1新建文獻[1]啟動Workbench。在Windows系統(tǒng)中按下列途徑打開，【開始】→【全部程序】→【ANSYS14-5】→【W(wǎng)orkbench14-5】。[2]單擊【File】→【Save】，選擇需要保存的途徑并將該文獻命名為“single-wayFSI”。[3]展開Workbench窗口左側的ComponentSystems工具箱，分別雙擊其中的【】以及【】模塊，重復上過程三次，打開四個【】以及【】模塊；同樣的方式打開CustomSystems中的【】模塊。用鼠標左鍵拖動A2下的【Geometry】到B2下的【Model】上將兩者連接起來，并且用同樣的方式將B2下的【Model】拖動到G2的【Setup上】，同樣的辦法執(zhí)行其它幾何、網(wǎng)格模塊，如圖2。圖5-2-2單向流固耦累計算流程圖2-2流體域幾何模型的解決及網(wǎng)格劃分[1]解決物理模型。右擊A2單擊【importGeometry】命令導入軸流泵葉片幾何體模型，如圖3顯示，為了方便對幾何體進行構造化網(wǎng)格劃分，這里僅僅取葉輪1/5流道，鑒于導葉網(wǎng)格劃分辦法與葉輪相似且操作更加簡樸，而進口段以及出口段網(wǎng)格劃分簡樸，這里僅僅介紹葉輪的網(wǎng)格劃分時需要注意的要點。圖5-2-3葉輪1/5流道[2]修補幾何個體。雙擊B2【Model】，啟動ICEMCFD，進入ICEMCFD工作界面。打開界面左邊工具欄【Geometry】下拉菜單，【Surface】命令左邊框打鉤，右擊【Surface】，勾選【Solid】和【Transparent】命令。通過【】命令修補幾何體，如若幾何體為封閉的幾何體，則幾何線條全部為紅線，如若有黃線出現(xiàn)，則應對幾何體進行對應的修補，如圖4-圖5-2-4修補幾何體[3]建立周期面。這里為了方便拓撲構造的建立，我們將幾何模型切割出1/5，事實上我們需要計算全流場，將來網(wǎng)格需要建立全流場網(wǎng)格模型，因此這里我們需要建立周期面，方便后續(xù)周期網(wǎng)格的建立。本書至此，相信大家已經(jīng)對ICEMCFD這一網(wǎng)格劃分工具含有一定的理解，下面為了突出這一章節(jié)的重點“流固耦合”，對于ICEMCFD網(wǎng)格劃分的具體操作將做對應的簡化。通過點命令創(chuàng)立葉輪進水邊圓弧的圓心，作為基準點，此時注意要勾選界面左邊工具欄中【Geometry】下拉菜單中【Points】左邊的方框，在工作界面中顯示模型中的全部點。進水邊圓弧圓心進水邊圓弧圓心圖5-2-5創(chuàng)立旋轉周期基準點單擊下圖中的【】命令，設立周期基準點及基準軸。基準點為前面已經(jīng)建立的那個點；基準軸基準點為前面已經(jīng)建立的那個點；基準軸選用旋轉軸，這里為Z軸；角度為360/n(n為葉片數(shù))，這里為72度勾選，定義類型為旋轉周期勾選，定義周期圖5-2-6定義周期根據(jù)以上章節(jié)的環(huán)節(jié)，對軸流泵葉片各個面建立對應的Part，所不同的是，這里要對周期面分別建立單獨的part，然后建立拓撲，生成三維塊，并且首先關聯(lián)其中一種周期面上的四個端點。圖5-2-7關聯(lián)一側周期面單擊【Blocking】下拉菜單中的【】，然后單擊【】，建立對應的周期點，完畢另一種周期面上四個端點的關聯(lián)。113232圖5-2-8創(chuàng)立周期節(jié)點[4]塊的劃分。對于復雜幾何的構造化網(wǎng)格的劃分是一種及其費時費力的過程，其中的核心便是拓撲構造的劃分，囿于篇幅的限制，這里僅僅給出塊的劃分辦法，具體操作需要讀者自己去操作。圖5-2-9拓撲構造[5]生成六面體。待完畢全部關聯(lián)，預網(wǎng)格質量滿足規(guī)定之后，單擊【File】→【Mesh】→【Loadfromblocking】，生成六面體網(wǎng)格。圖5-2-10生成六面體網(wǎng)格[6]刪除周期面網(wǎng)格：單擊EditMesh，打開下拉菜單，單擊【】按鈕，然后按照圖中次序依次進行直到刪除周期面網(wǎng)格。54，兩個對應的周期面3254，兩個對應的周期面321圖5-2-11刪除周期面網(wǎng)格[7]生成全流道網(wǎng)格。這時，周期面的網(wǎng)格已經(jīng)刪除，接下倆便是旋轉復制網(wǎng)格，生成葉輪全流場網(wǎng)格，打開【EditMesh】下拉菜單，單擊【】按鈕，具體設立見下圖。選擇旋轉軸設立旋轉角度設立選擇旋轉軸設立旋轉角度設立復制數(shù)量旋轉圖5-2-12旋轉復制網(wǎng)格葉輪全流場構造網(wǎng)格生成圖見下圖：圖5-2-13葉輪全流道網(wǎng)格至此，葉輪的全流場構造化網(wǎng)格已全部生成。導葉的網(wǎng)格生成辦法與此相似，這里不再贅述，而進口段出口段的結化網(wǎng)格劃分比較簡樸，這里也不再具體介紹。2-3流體域前解決及求解[1]各段網(wǎng)格劃分完畢之后，接下來的工作就是對流體域進行前解決?；氐絎orkbench工作界面，雙擊G2【setup】進入CFX前解決界面。圖5-2-14全流場[2]在任務欄中，點【Domain】生成域，指定名稱：jk，點【OK】，如圖15所示。圖5-2-15創(chuàng)立域[3]BasicSetting（基本設立）如圖16所示。圖5-2-16基本設立圖5-2-17流體屬性設立[4]FluidModels（流動模型）設立見圖17。[5]用[3]，[4]的參數(shù)對出口、導葉進行相似的設立。[6]設立葉輪域時，“DomainMotion”：Rotating,“AngularVelocity”:297[revmin^-1],“RotationAxis”:GlobalZ，其它的選項保持和（6）（7）一致，見圖18。圖5-2-18設立轉速[7]以葉輪為例，設立邊界。如圖19，將邊界命名為“kt”（殼體）；“BoundaryType”：Wall，“Location”：葉輪殼體；“BoundaryDetails”保持默認。abc圖5-2-19葉輪壁面邊界條件設立類似地，將其它除各個域進出口以外的各個面的邊界類型均設立為“Wall”。[8]設立交界面。由于旋轉域的存在，造成存在靜靜交接以及動靜交接兩種類型的交接面的存在，進口-葉輪以及葉輪-導葉為動靜交接，其設立辦法同樣，而導葉-出口為靜靜交接，設立辦法更為簡樸，分別見圖20、21。圖5-2-20動-靜交界面設立圖5-2-21靜-靜交界面設立[9]全局進出口條件設立。進口設立為質量流，出口設立為自由出流，具體見圖22、23。圖5-2-22進口邊界條件設立圖5-2-23出口邊界條件設立[10]設定求解控制。單擊任務欄中【SolverControl】，對求解器進行設立，具體見圖24圖5-2-24求解器控制[11]求解。由于本章節(jié)重要介紹單向流固耦合，并不需要對流體域的成果進行后解決，因此當求解完畢之后關閉求解器，返回Workbench工作界面。2-4固體域的解決[1]導入固體域幾何模型。右擊H3【Geometry】，選擇【ImportGeometry】，將軸流泵的構造圖導入進來。這里需要特別指出的是，固體域幾何的空間坐標必須與流體域幾何的空間坐標完全吻合，只有耦合面的坐標完全吻合，數(shù)據(jù)才干精確傳遞。其構造圖見圖25。圖5-2-25構造圖[2]設立構造材料。打開工作界面左邊的“Model”樹形下拉菜單，打開【Geometry】子菜單，打開幾何體具體菜單欄，見右圖。設立構造材料，本例使用默認的材料構造鋼，讀者在實際運用中需要根據(jù)實際設立物質材料，材料屬性的設立需要返回到Workbench工作界面中的【StaticStructural】模塊的【EngineeringData】里完畢。[3]網(wǎng)格劃分。固體域的網(wǎng)格劃分使用Workbench自帶的網(wǎng)格劃分工具進行四周體自劃分。得到高質量的網(wǎng)格一件并不容易得事情，需要耗費大量的時間與經(jīng)歷去學習，為了簡樸起見，這里僅進行簡樸的設立。單擊左邊工具欄里【Mesh】，打開【Mesh】具體菜單欄，按圖中進行設立，生成的網(wǎng)格見下圖。圖5-2-26網(wǎng)格劃分[4]設立邊界條件。邊界條件的設立至關重要，由于求解成果可靠與否與邊界條件的設立直接有關，因此邊界條件的設立是構造分析中最為重要的一步。右擊左邊工具欄中【StaticStructural】，插入【CylindricalSupport】即圓柱約束，選擇上圖中的A面使用全約束，即各個方向的自由度全部約束，其具體菜單欄見右圖同樣的辦法來約束B面，見圖5-2-27。圖5-2-27添加圓柱約束載荷加載，除了流體作用力，構造域還受到由自重引發(fā)的重力以及有旋轉引發(fā)的離心力。首先，加載重力：右擊【StaticStructural】，插入【StandardEarthGravity】，具體設立如圖。圖5-2-28添加重力離心力通過給構造施加轉速的方式加載，右擊【StaticStructural】，插入【RotationalVelocity】，具體設立見下圖。根據(jù)右手定則，根據(jù)右手定則，判斷正負圖5-2-29添加角速度加載流體作用力。右擊【ImportedPressure】，選擇【Insert】→【Pressure】選擇固體與流體的耦合面進行加載，待設立完畢，右擊【ImportedPressure】，選擇【LoadPressure】。該例流體加載成果以下圖。圖5-2-30加載流體作用力[5]求解，右擊【Solution】，選擇【Solve】，進行求解計算。[6]后解決，右擊【Solution】，插入變形和等效應力，具體設立見下圖。圖5-2-31后解決右擊【Solution】，選擇【EvaluateAllResult】，更新后解決成果。則葉輪等效應力以及變形云圖見下圖。（a）變形分布云圖（b）等效應力分布云圖圖5-2-32后解決云圖5-3雙向流固耦合雙向流固耦合即考慮流場對固體的影響，同樣考慮由于構造發(fā)生變形反過來對流場的影響，數(shù)據(jù)傳遞并不像單向流固耦合同樣是單向的，而是雙向的，即將流體域的計算成果中的應力應變作為構造的邊界條件，對構造進行求解，然后將構造的求解成果作為流體域的初始條件進行求解，如此重復。本書，采用ANSYS14-5在Workbench平臺上完畢軸流泵的雙向流固耦合過程。另外需要闡明的是，雙向流固耦合分析的設立相對復雜且困難某些，如果設立不合理或者設立錯誤，就會有錯誤提示甚至中斷計算，因此在設立時需要非常認真。如前所說，雙向流固耦合中經(jīng)常發(fā)生的錯誤重要集中在兩個方面：時間步的統(tǒng)一問題。既要考慮流場分析又要考慮構造分析，不同的問題需要考慮的側重點也不同，比方說，高超音速問題，流場分析收斂更困難些，因此時間步的設立應以流場分析收斂為目的；但是對橡膠等非線性材料的分析，固體分析的時間步長設立更為重要一點。構造大變形造成的流場網(wǎng)格問題。首先需要明確構造分析中的大變形選項（Largedeformation）與否需要打開，然后就需要考慮的就是CFX中的流場網(wǎng)格設立，其中Meshdeformation至關重要，需要顧客認真認真比較其下設的多個選項，詳見CFX協(xié)助文檔。3-1新建文獻夾[1]啟動Workbench。在Windows系統(tǒng)中按下列途徑打開，【開始】→【全部程序】→【ANSYS14-5】→【W(wǎng)orkbench14-5】。[2]單擊【File】→【Save】，選擇需要保存的途徑并將該文獻命名為“Two-wayFSI”。[3]展開Workbench右側工具欄中【AnalysisSystems】菜單欄，雙擊【TransientStructural】，然后右擊【Setup】按下圖操作，添加CFX模塊。圖5-3-1建立雙向耦合流程[4]由于雙向流固耦合的求解以及后解決全部在CFX里完畢，因此刪除【TransientStructural】的【Solution】模塊，則雙向耦合的流程圖見下圖。圖5-3-2雙向耦合示意圖3-2固體域的設立。[1]導入構造的幾何模型。環(huán)節(jié)和注意事項參見單向流固耦合的操作環(huán)節(jié)。[2]設立材料屬性。參見單向流固耦合。[3]網(wǎng)格劃分。參見單向流固耦合。[4]設立邊界條件。由于雙向流固耦合構造上采用瞬態(tài)，流體上采用非定常設立。因此，兩者邊界條件與單向耦合都存在較大的不同，這里具體介紹。（1）時間步長的設立。前面已經(jīng)說過，雙向流固耦合的時間步長的設立至關重要，構造與流體的時間步長的設立要完全吻合起來。單擊【AnalysisSettings】打開具體菜單欄，以下圖設立。其中【StepEndTime】為迭代總時間，為簡樸起見這里設立為1s；【AutoTimeStepping】選擇【Off】；【TimeStep】時間步長，這里設立為0-01s，即每0-01s計算一次。大變形開關，當大變形開關，當構造變形較大時選擇打開圖5-3-3設立時間步長軸承處同樣合用圓柱約束，不同的是，在瞬態(tài)時構造是旋轉的，周向方向自由度不添加約束，見下圖。周向自周向自由圖5-3-3添加圓柱約束重力加載同單向耦合同樣。角度的添加，由于瞬態(tài)分析中的初始設立中并不能直接添加角速度，因此角速度的初始化需要直接在邊界條件中設立，見下圖。圖5-3-3添加角速創(chuàng)立耦合面。右擊【TransientA5】，按下圖插入耦合面，然后在耦合面具體菜單欄中選擇構造上與流體耦合的面即可。圖5-3-4建立耦合面3-3流體域設立。[1]返回Workbench工作界面，右擊B2【Setup】，以下圖(a)操作，將先前設好的穩(wěn)態(tài)前解決文獻導進來，由于流體域的定常和非定常設立僅有部分不同，這里僅需講定常設立稍作修改即可。然后單擊工具欄中【UpdateProject】，進行更新，見下圖(b)。（b）圖5-3-5導入流體域[2]流體域分析類型設立。雙擊B2【Setup】按鈕，進入CFX前解決模塊，接著進入【AnalysisType】，設立見下圖。選擇非定常總時間以及時間步長必須與構造設立完全同樣。選擇非定常總時間以及時間步長必須與構造設立完全同樣。構造設立文獻，自動導入圖5-3-6設立流體域時間步長[3]設立邊界條件。進出口邊界條件的設立與定常狀態(tài)的設立相似，這里不再贅述。雙向耦合時，流體域設立與定常不同之處重要為耦合面處邊界條件的設立，這里重要指旋轉域，即葉輪段。（1）域基本設立。打開葉輪域【BasicSetting】菜單，其它設立于定常時設立相似，唯有[MeshDeformation]以下設立。圖5-3-7設立網(wǎng)格變形（2）耦合面邊界設立。葉輪表面、輪轂、輪緣以及倒流冒表面都是耦合面，前三者都在分布在葉輪域，而倒流冒包含在進口段。葉輪表面、輪轂以及輪緣耦合面的邊界條件設立為【W(wǎng)all】，與定常時同樣，所不同的是【BoundaryDetails】里的設立，見下圖。通過耦合面?zhèn)鬟f壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)讀者需要也能夠添加傳遞數(shù)據(jù)的信息。能夠添加所需要額外能夠添加所需要額外傳遞的數(shù)據(jù)選擇“ANSYSMultiField”圖5-3-8設立耦合面邊界條件導流冒處的設立在進口段完畢，其過程與以上完全相似。[4]求解控制。求解器控制【SolverControl】里能夠使用系統(tǒng)默認的設立，也能夠根據(jù)模型收斂難易的程度對迭代步數(shù)進行對應修改，這點能夠參見軸流泵非定常計算的設立。需要指出的是雙向耦合時【ExternalCoupling】中求解次序的設立，需要根據(jù)實際狀況設定求解次序，若果是固體帶動流體就先求解固體，反之就先求解流體，如圖。求解次序設立迭代步數(shù)控制求解次序設立迭代步數(shù)控制圖5-3-9求解次序設立[5]輸出成果控制，非定常計算必須要為TRN文獻設立輸出成果控制，具體設立參見非定常計算有關設立，不同的是流固耦合時需要輸出網(wǎng)格變形，以及需要設立輸出頻率，打開【TrnResults】菜單欄，單擊【】添加瞬態(tài)成果，名字采用默認名，【Option】選擇“SelectedVariables”，【OutputVariablesList】選擇如圖，以及輸出頻率【OutputFrequency】需根據(jù)讀者自己需要設定。圖5-3-10設立非定常輸出成果3-4求解。返回Workbench工作界面，雙擊B3【Solution】，進入求解界面。由前面軸流泵非定常計算可