基于Fluent的水泵流动区域的CFD数值计算模型

1、CFD 数值计算模型软件平台：PRO-E3.0理论上，水泵的进口到出口的流动区域就是我们的计算模型。一般，全流场算域分为5部分：1. 叶轮进口段2. 叶轮内流动域3. 泵体前腔4. 泵体后腔5. 泵体（涡壳）6. 出口段通常我们计算的时候运用流动域1、2、5、6, 最简化的为流动域2、5.计算模型可以运用PRO-E ，UG ，CATIA 等三维造型软件，具体的造型过程和步骤请点击三维造型培训，模型通常保存为STP 和IGS 文件格式.各流动域可以分别造型，然后进行装配.简单的模型可以运用FLUENT 前处理软件GAMBIT 中进行.下图为某型号纸浆泵，计算模型包括：1. 叶轮进口段，2. 叶轮

2、内流动域，3. 泵体前腔，4. 泵体后腔，5. 泵体（涡壳） 某型号纸浆泵计算模型下图为某型号低比速离心泵计算模型，包括：1. 叶轮内流动域，2. 泵体（涡壳）。模型作了简化，没有考虑腔体中的流动。 某型号低比速离心泵计算模型下图为某型号的循环泵全流场计算模型，包括所有的流动区域。 某型号循环泵计算模型计算模型的造型是CFD 工作中非常重要的一部分，由于造型可能影响到网格划分和网格生成质量，因此，科学合理的造型将达到事半功倍的效果。网格划分软件平台：GAMBIT2.2.30。计算模型导入步骤 File-Import, 见下图。 导入计算模型, 轮廓图见下图。 网格划分界面 a 面合并界面 b

3、网格分界面 c 网格质量检查模型处理好后, 分别对流动区域进行网格划分通常, 叶轮和泵体的几何现状不规则，运用T-Grid 类型进行网格划分，网格间距根据模型大小和计算机性能配置进行设置，一般取1-10.在进行全流场计算时，您可以在口环、涡壳隔舌、压力梯度大的区域进行局部加密，局部加密时，需要注意网格变化不能太剧烈。为了提高计算精度和粘性底层的影响，先画好边界层网格，再画体网格。在FLUENT 中，您可以根据计算的结果，用Adapt-Gradient 对压力梯度大的区域进行加密，如下图所示。 在这个过程中，网格网格划分可可能出现各种各样ERROR ，您需要耐心的寻找问题的根源，修改模型。网格检

4、查界面见上图。网格划分在数值计算中约占到70%的工作量，也是对计算精度影响最大的因素之一，详细的网格划分技术请参考相关教程。边界条件软件平台：GAMBIT2.2.30。边界条件设置1. 设置体的类型比如FLUID,SOLID. 见下左侧图。水泵的流动域都为流体。故设置为FLUID 。运用动静参考系处理旋转叶轮和静止泵体的耦合问题。叶轮：设置为运动参考系泵体和其他流动域：设置为静参考系2. 设置面的边界条件(1泵的进口一般来说定流量，计算扬程的时候，设置为速度进口。若根据扬程，计算流量，设置进口和出口的压力，也就是说设置进口压力条件和出口压力条件。(2泵的出口通常使用的是 OUTFLOW 和 P

5、RESSURE OUTLET.(3叶轮表面设置为壁面wall.(4泵体和其他静止部件的壁面设置为壁面wall.(4泵体和泵体耦合面若叶轮和泵体进行装配的(具有两个面, 分别设置为INTERFACE.若叶轮的泵体的水体是一个体, 可以用面SPLIT, 生成一个面, 默认为interior. 设置流动域流体属性 a 设置流动域流体属性 b 设置面边界条件（一） c 设置面边界条件（二）设置面边界条件（二）文件保存与输出网格文件可以保存为DBS 格式，该格式可以对模型做修改。导入FLUENT 文件，请输出mesh 格式，见下图所示。 FLUENT 傻瓜操作软件平台：FLUENT6.2.16计算类型：

6、三维定常叶轮涡壳耦合计算说明：没有考虑泵腔中的流动和容积损失。导入mesh 格式网格文件File-Read-Case-选择你要导入的文件检查check如下图所示，观测数据与您的模型是否一致，检查是否有负体积存在，存在负体积的网格一般很难收敛。 面网格显示 光顺网格Grid-Check点击Smooth 和Swap ，直到0 remaining iteration 和 number faces swapped:0。 设置单位Grid-Scale ，一般都转换为mm 设定转速单位Define-Unit 选择湍流模型Define-Models-Viscous 若不考虑传热，不需要对能量方程进行设置，直

7、接默认。对于不可压流体，solver 不需要设置，直接使用默认的隐式求解。Model 项只需要对湍流模型进行设置，其他的全部默认。设定流体属性Define-Materials-Fluent Database FLUENT 的计算需要与工程实践相结合，对于某种类型的模型需要积累成熟的网格划分和边界条件设置经验。并不是说，对于单个泵计算误差绝对小于95%。个人认为，对于水泵来说，目前很难做到这一点。设定边界条件1. 叶轮内流体运用动静参考系解决运行叶轮和泵体间的动静耦合问题。叶轮内流体设置为旋转坐标系，设置转速n, 比如n=3500rpm,2900rpm等。运动方向运用右手法则判定。 2. 涡壳（

8、泵体）内流体涡壳内流体设置为静止。 3. 叶轮进口一般来说，定流量，计算扬程的情况，进口采用速度进口。设置如下图。 3. 叶轮出口叶轮出口通常采用自由出流条件，存在明显回流影响收敛的情况下，一般采用压力出口。 3. 叶片表面设置为wall ，相对于叶轮为静止。可以设置表明粗糙度。 交接面设置Define-Grid interface 松弛因子设置Solve-Control-Solution一般来说，采用默认值。若难收敛，或者收敛不理想，可以把松弛因子调小。一般采用一阶计算收敛后，再调整为二阶计算，这样收敛相对理想一些。 残差监控Solve-Monitors-Residual设置收敛精度，一般设

9、置为1e-06. 为了准确判定收敛，对于定场计算，给定速度进口时，监控进口和出口总压，当进口和出口总压恒定时，认为已经收敛。如果进出口设置得为压力边界条件，监控流量，当进口和出口流量恒定时，认为已经收敛。 初始化采用进口速度值，进行初始化。 Solve-Initialize-Initialize 迭代设置 Solve-Iterate 残差图 创建ISO 面Surface-Iso-surface创建中截面，或者其他您需要后处理的面。 压力云图Display-Counters选择Pressure-Static Pressure 湍动能云图Display-Counters选择Turbulence.-

10、Turbulence Kinetic Energy 速度显示1. 叶轮内相对速度Display-Vectors-Relative Velocity 2. 涡壳（泵体）内速度Display-Vectors-Velocity 性能预测 1.报告进出口压力 Report-Surface Integrals-Area-Weight Average 2.报告叶轮作用力矩 Report-Force-Moment 外特性计算 1.在 FLUENT 中，流场中某一点的总压定义为 使用 FLUENT 中面积分的功能，求出泵进口和出口的总压。利用伯努利方程，预测出泵的扬程。 2.扬程计算公式 3.叶片消耗功率 使用 FLUENT 中力矩报告功能，求出叶轮对旋转轴 z 的力矩，则数值计算中的叶轮输入功率为 4.水力效率 数值计算时没有