基于Fluent 14.5离心泵内部流场数值模拟教程

1、基于Fluent14.5离心泵内部流场数值模拟教程内容摘要：一、描述随着科学技术的进步，许多领域对水泵要求越来越高。传统的设计方法已无法满足快节奏、高要求的现代社会。随着计算流体力学（CFD）技术的发展，为水泵设计也带来了更好的研究方法。应用CFD技术，通过计算机对水泵内部流场进行虚拟试验，可以快速获得外特性曲线，_、描述随着科学技术的进步，许多领域对水泵要求越来越高。传统的设计方法已无法满足快节奏、高要求的现代社会。随着计算流体力学（CFD）技术的发展，为水泵设计也带来了更好的研究方法。应用CFD技术，通过计算机对水泵内部流场进行虎拟试验，可以快速获得外特性曲线，并且能够更好的在设计阶段预测

2、泵内部流动所产生的漩涡、二次流、边界分离、喘振、汽蚀等不良现彖，通过改进以提高产品可靠性。本教程采用IS80-65-125型水泵的水力模型，通过具体步骤希望广人同行能快速掌握运用Fluent对水泵进行CFD模拟的步骤方法。二、建模采用Creo2.0M020（Peo/Engmeer）进行建模。本次教程不考虑叶轮前后盖板与泵腔间的液体（事实证明对实际结果有一定影响，为了教程方便因此不予考虑，人家可以在实际工作中加入对前后腔体液体），建模只考虑进II管部分、叶轮旋转区域部分、蜗壳部分。对于出II管，可以根据模型的特征进行判别，本次模拟是由于出丨I管路对实际模拟结果影响很小,不存在尺寸急变等特征，因此

3、去掉了出II管段，以减少网格数量。建模如图所示：图1建立流道模型三、网格划分建模完成后，导出*x_t（或其他格式）格式，导入网格划分软件中进行网格划分。网格划分软件有很多，各有各的优势，主要采用自己熟练的一种即可。本次教程采用ICEM进行网格划分。进11段为直锥型结构，采用六面体网格。叶轮和蜗壳部分采用四面体非结构网格（也可以采用六面体网格，划分起来比较麻烦）。对于工程应用，可以采用不划分边界层网格，划分边界层网格比较费时间，生成的网格数量也很高，但是从模拟的外特性曲线来看,差别不是很大，但是对于研究边界层流动对性能的影响，就必须划分边界层，对于采用有些壁面条件，也必须划分边界层（该部分查看其

4、它教程）。划分的网格情况如图所示：图2进门段网格图3蜗壳部分网格图4叶轮区域网格八wwwlarrnaoarw.e图5整体网格装配四、Fluent设置，并进行计算1、启动并设置Fluent双击Fluent14.5图标，弹出如图界面，进行求解器设置和计算精度。一般对于三维模拟，需要首先选择三维模式，精度叫以选取为双精度，也町以不选双精度，双精度比单精度计算精度要高，但是时间要长。选择并行模式可以加快计算速度，减少网格占用的内存鼠。在设置界面还可以设置启动后界面、仏示，WorkbenchColorWmdow为背景显示模式,勾选后Fluent14.5启动后显示网格的图形界面为Workbench的默认背

5、景（蓝色），如果不选则为黑色背景。背景可以再Fluent启动后设置。DisplayMeshAfterReading为读入网格后是否显示网格，勾选后，读入网格后默认状态为显示网格，不勾选则不显示。展开ShowFewerOptions按钮，可以或多更多的设置，如工作目录等。Z2FluentLatincher|ANSYS|FluentLauncherOptions了DoublePecisionMeshingModeDisplayOptionsDisplayMeshAfterReadingVEmbedGraphicsWindo阳WorkbenchColorSchemeUseJobSchedulerUs

6、eRemoteLinuxNodesProcessingOptionsOSerialoParallel(LocalMachine)Numberof日ShowFewerOptions图5启动Fluentl4.52、导入网格导入网格可以通过卞拉菜单【File】tReadtMesh.或者直接在Fluentl4.5界面下的“Readafile”下拉按钮下进行读入网格。如果启动Fluent后设置为默认显示网格，则读入网格后会在图形面板显示网格，如果没有设置，可以点击左边General按钮，在General选项卡中点击Display,并选取需要显示的网格，并点【Display进行显示。FileMeshDef

7、ineSolveAdaptSurfaceDisplayRepor|ReadMesh.WriteCase.Na.瞬窓合色nF5050ImportExport图6读入网格方法18、由nbm：WeHHpFHawiCHZoneOWS&ndfCoMtarnW*命込町SoKiWnMeecA处tan52NcrXjESc*Til头、，&央ns口*0?r*wMdWoo打UrUMA0MmqUvMHWTreOTrytItanMaiM仙CefcUHortG如XKSQGrBfmMJWvwtnZJUpeiti5S图8导入并显示网格3、缩放网格Fluent启动后默认长度单位为m,有些模型在进行网格划分时默认的单位长度是nu

8、n,所以必须进行网格缩放。在General选项卡中点击Scale.按钮，弹出缩放对话框。如图所示：MeshingMeshGenerationSolutionSetupModelsMaterialsPhasesCellZoneConditionsBoundaryConditionsMeshInterfacesDynamicMeshReferenceValuesSolutionSolutionMethodsSolutionControlsMonitorsSolutionInitializationCalnilatinnArtivitipSmootlVSwap,弹出网格光顺对话框，设置合适的值，并进

9、行光顺。Smooth/SwapM.图11网格光顺5、转速单位设定Fluent默认的角速度单位为rad/s,我国一般采用r/nun,如果转速为r/nuii则在General选项卡中点击【Units.按钮进行设置，设置角速度单位为ipm(r/min),如图所示：图12设置转速单位6、设置运行环境（重力场）在General选项卡中，勾选GravitynJ选对话框，进行重力加速度设置。如图所示:V：GravityGravitationalAcceleration7、求解器设置在General选项卡中设置求解器。本次教程采用定常模拟，因此设置为稳态、单元压力梯度、绝对速度。如图9所示8、设置计算模型点击

10、Models按钮，弹出ViscousModel设置对话框。选择k-epsilon选项并进入k-设置。本教程采用标准k模型，标准壁面函数。如图所示：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图14设置计算模型9、定义材料Fluent默认流体材料只有air(空气)，因此需要添加清水或其他流体。点击Matemds按钮，在Materials选项卡中单击Create/Edit.按钮，弹出创建/编辑材质对话框，单击【FluentDatabase.按钮弹出Fluent材质数据库对话框，在FluentFluidMaterials中找到wa

13、tei-liquid(li2o),并单击【Copy】按钮完成对清水的添加。如图所示：3Create/EditMaterialsSoMakminumSoLbonSetupGeneralMarneOrderre|EmbeddedLES|Reacbon|SourceTerms(AxedVoluec；MJnphoocFrame2MwhMotionPnrot7nnrIv/ater-ijqudt1u二_RxcdValuer图17定义叶轮旋转区域设置进II段、蜗壳区域。过程略同叶轮区域。区别是没有FrameMotion选项，为静止区域。如图所示：2_PoraZWRe6e*wcePrne|PorfrxZcce

14、BrbeddetSLESRcxtcn|SorerTermsRdYabw|HJtphMC:丫RouoandvMxs|HJtphMcftMorvAsttCrnAoCMrvAiftObrctb图19定义蜗壳区域流体11、进、出口设置边界条件点击BoundaiyConditions按钮，在BoundaryConditions选项卡中选择进II（这里我为其命名为inlet）,并在Type类型里选择合适的类型（这里我选择的是质量流量进I丨massflow-mlet）,选择Edit按钮，弹出MassFlowInlet设置对话框在伞中设置合适的值、参数，其余可保持默认，也可以在Turbulence中设置合理的

15、初始值，可有利于提高计算精度。注意这里的湍动能和湍流耗散率是估算的，估算方法请参阅相关资料。如图所示：MeshingMeshGenerabonSdubonSetupGeneralriiBoundaryConditionsZoneNamecletMomentumThermalRationReferenceameZ2Mass-FlowInlet厂io：ted_matena_MetopeDynamicMeshReferenceValuesSohtonSobtonMethodsSokrtxxiControlMontoesSolutXMiImualtzatxxiCakUaoonActztesRunCai

16、culdtonResdtsGrdpHcsoxiAnimabonsPlotsReportsnterface-shell/SpeofkattonMMassFlowRatethodSupersonic/lnibalGougePressure(pml)gDrectonSpeoficanonMTypeIDmxturc3LW一iimd$5-flowPeriodk:Condibons.图20设置进出口边界条件12、旋转壁面设置旋转壁面主要是叶轮上的壁面。这里我将旋转面分为了两部分，分别是叶片部分和叶轮盖板部分。设置为移动壁面。相对于流体单元区域旋转、无滑移壁面。设置如图所示：MeshngMe才Gcnerot

17、onSohtonSetupGeneraiModebWatcnakPhases3SoiuttoSUCSSolubonControlMonitorsSoutonIniwizat)onCdkulatonAMgsRunCajhtionResultsGraphsd*dAnmaoonsRiotsRepo!sWallMotxxiStabonaryW,oSnsWaflfitter2led.mdtermqeatedjnt*rK.dore.1ProfParameten7|opOTttrgCan(ftkDepiayMes.-MghtZooe厂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图21设置叶片壁面条件MeshngGencraoonSoLtxnSetipBoundaryConditions2Wall弹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图22设置叶轮前后面壁面条件壁面边界条件在模拟的时候，如呆要考虑壁面的粗糙度，还要填写WallRoughness中的RoughnessHeight参数。该值对模拟出的扬程、扭矩都有一定的影响。RouglmessConstant可以保持默认（对结杲也有影响）。蜗壳、进出丨I段的壁面粗糙度设置类似，后面不再赘述。13、设置进口壁面、蜗壳壁面边界条件对于如进II、蜗壳等静止区域的壁面

21、边界条件，可以保持默认状态，也可以进如Wall设置对话框。相对于12步骤旋转壁面设置，在中设置WallMotion为StationaiyWall、NoSUp即可（或者加上考虑粗糙度）。14、设置交界面点击MeshInterfaces.在MeshInterfaces选项卡中单击Create/Edit.按钮弹出对话框，在中设置交界面名称并在InterfaceZone1和InterfaceZone2中选择交界面。如图所示：Meshnqr-teshGenerabonSobbonSetupGeneralModelsMeshInterfacesMEInterfacesirrpder-5heflntetpi

22、pe-rpdefPhasesCeiZoneCondttxvsandAnmdboPtot?ReportsSolutionControlMomtocsSoluttonIhtiahdtionCakulabonAcbMbesRunCekUabonResultsMaiding勺忙&xjaryCooj訂cn图23设置交界面注意：在Fluentl4.5版本中交界面是可以多选的，但不能重复。这里的交界面只有两对,设置比较简单。如果交界面设立的比较多，可以考虑采用命令行进行设置。设置方法如下:definemesh-interfacescreateunpeller-mletpipemtei-face-unpell

23、ei-inletpipe（回车）mteiiace-Hiletpipe-unpeller（回车）（回车）（回车）（回车）createunpeller_shellmteiiace-unpeller-shell（回车）mteiiace-shell-unpeller（回车）（回车）（回车）（回车）createquitquit（回车）命令可以参考Fluent帮助文档或相关书籍。15、检查网格之所以把检查网格放在设置交界面之后，是因为在Fluent14.5版本中，如果有交界面的存在，没有设置的话会出现警告提示。设置完交界面后就没有提示了。此步最好在一开始就检查，壁面前面不必要的过程。检查网格在Genera

24、l选项卡中点击【Check】按钮即可。检测通过标准为最小体积为正值。当然在高版本中町以忽略此步，因为在导入网格的时候如果存在负体积网格Fluent会给出错误提示。当然，我们在网格划分的时候只要仔细点就不会出现负体积网格。16、设置求解方法SecondOrderUpwrdTurbulentKcebcEnergySecondOrderUpwindLeastSquaresCelBasedGeneralModelsMatenaSPhasesCellZoneCondtionsBouTdaryConaoonsMeshInterfecesDynamcMeshReferencevabesSolutionMet

25、hodsPressureStandardMomentumTurbulentOsspationRateSecondOrderUpwndTNon-IterativeTinljFrozenFhxFocmj1PseudoTranaentHjhOrderTerm(|Default点击SolutionMethods,在SolutionMethods选项卡中进行相关设置。在中可以选择SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled算法。相关研究指出，对于离心泵定常模拟，SIMPLEC、SIMPLE算法更接近实验值，当然你也可以都算一遍，并总结出自己的规律。在中设置曲线变化率、压力耦合算法、迎风格式（二

26、阶迎风格式对于非结构网格具有更高的精度，相关资料请参阅Fluent相关书籍）等。如图所示：ISoiuMnRuncJtawrfSnResultsGraohicsandAmnatonsPtotsReports图24设置求解方法16、求解控制在SolutionContro1选项卡中设置欠松弛因子，以改变收敛速度，一般此处不用修改,除非收敛困难时町以以修改。欠松弛因子的人小设置是有区别的，请参阅相关手册。如图所MeshingMeshGenerationSolutionControlsJnder-RelaxationFactorsSolutionSetupGeneralModelsMaterialsPh

27、asesCellZoneConditionsBoundaryConditionsMeshInterfacesDynamicjifishReferfirTlESSolution丄丿SolubonInibahzationCalculationActivitiesRunCalculationResultsGraphicsandAnimationsPressureTurbulentKineticEnergy0.8Equations.Limits图25求解控制17、监视残差具体设置步骤如图所示，其中Plot按钮可以在计算获得结果后任何时候查看曲线。MeinQKeshGeneraoonSoLtonS：mp

28、GenerdMatenateMonitorsCrfZoneConditionsBoundaryCoboosInterneesDynamcMeshCakulabonActrzoesRunCkitlonResetsGraphicsandAnmatonsPlotsC心工，rVolumeMorttors1/l：CMooi10S口RZdualMonitiSquaDonsx-vdootyy-vdoatyNorma加(3vcs.AxcsIterauonstoPlot1000IterationstoSterelioooV片cttoConsolefZPtot0.0010.001CreateMt.)fSurfaceMonitors5、?Scate)ComputeLocalScalePlotBtonormaizeCencti图26设置残差18、创建检测点与17步同一个选项卡下，在Surface中单击创建按钮进行设置。本次我们关心出I】总压的变化，因此对出丨I进行监测。对出II压力的监测，可以大体判断是否收敛。当残差计算到一定精度时，观察出II压力不再变化，并查看进出丨I流率是否相等即可判断收敛。MwhngMe