基于Fluent14.5離心泵內部流場數值模擬教程

2016-10-21  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

一概述  隨著科學技術的進步,許多領域對水泵要求越來越高。傳統的設計方法已無法滿足快節奏、高要求的現代社會。隨著計算流體力學(CFD)技術的發展,為水泵設計也帶來了更好的研究方法。應用CFD技術,通過計算機對水泵內部流場進行虛擬試驗,可以快速獲得外特性曲線,并且能夠更好的在設計階段預測泵內部流動所產生的漩渦、二次流、邊界分離、喘振、汽蝕等不良現象,通過改進以提高產品可靠性。  本教程采用IS80-65-125型水泵的水力模型,通過具體步驟希望廣大同行能快速掌握運用Fluent對水泵進行CFD模擬的步驟方法。二建模  采用Creo 2.0 M020(Peo/Engineer)進行建模。本次教程不考慮葉輪前后蓋板與泵腔間的液體(事實證明對實際結果有一定影響,為了教程方便因此不予考慮,大家可以在實際工作中加入對前后腔體液體),建模只考慮進口管部分、葉輪旋轉區域部分、蝸殼部分。對于出口管,可以根據模型的特征進行判別,本次模擬是由于出口管路對實際模擬結果影響很小,不存在尺寸急變等特征,因此去掉了出口管段,以減少網格數量。建模如圖所示:

圖1 建立流道模型

三網格劃分  建模完成后,導出*.x_t(或其他格式)格式,導入網格劃分軟件中進行網格劃分。網格劃分軟件有很多,各有各的優勢,主要采用自己熟練的一種即可。本次教程采用ICEM進行網格劃分。進口段為直錐型結構,采用六面體網格。葉輪和蝸殼部分采用四面體非結構網格(也可以采用六面體網格,劃分起來比較麻煩)。對于工程應用,可以采用不劃分邊界層網格,劃分邊界層網格比較費時間,生成的網格數量也很高,但是從模擬的外特性曲線來看,差別不是很大,但是對于研究邊界層流動對性能的影響,就必須劃分邊界層,對于采用有些壁面條件,也必須劃分邊界層(該部分查看其它教程)。劃分的網格情況如圖所示:

圖2 進口段網格

圖3 葉輪區域網格

圖4 蝸殼部分網格

圖5 整體網格裝配四Fluent設置,并進行計算

1、啟動并設置Fluent

  雙擊Fluent 14.5圖標,彈出如圖界面,進行求解器設置和計算精度。一般對于三維模擬,需要首先選擇①三維模式,精度可以選取為②雙精度,也可以不選雙精度,雙精度比單精度計算精度要高,但是時間要長。選擇③并行模式可以加快計算速度,減少網格占用的內存量。在設置界面還可以設置啟動后界面顯示,Workbench Color Window為背景顯示模式,勾選后Fluent 14.5啟動后顯示網格的圖形界面為Workbench的默認背景(藍色),如果不選則為黑色背景。背景可以再Fluent啟動后設置。Display Mesh After Reading為讀入網格后是否顯示網格,勾選后,讀入網格后默認狀態為顯示網格,不勾選則不顯示。展開Show Fewer Options按鈕,可以或多更多的設置,如工作目錄等。

圖5 啟動Fluent14.5?

?2、導入網格???  導入網格可以通過下拉菜單【File】→【Read】→【Mesh...】或者直接在Fluent14.5界面下的“Read a file”下拉按鈕下進行讀入網格。如果啟動Fluent后設置為默認顯示網格,則讀入網格后會在圖形面板顯示網格,如果沒有設置,可以點擊左邊【General】按鈕,在【General】選項卡中點擊【Display】,并選取需要顯示的網格,并點Display進行顯示。

圖7 讀入網格方法2?

3、縮放網格  Fluent啟動后默認長度單位為m,有些模型在進行網格劃分時默認的單位長度是mm,所以必須進行網格縮放。在【General】選項卡中點擊【Scale..】按鈕,彈出縮放對話框。如圖所示:

圖9 單擊【Scale...】按鈕 

  先更改①為mm,查看Domain Extents中X、Y、Z中顯示的邊界是否與模型合適,如果相差的數量級是1000,則更改②為mm,并點擊③Scale按鈕進行網格尺度縮放。所過相差為0.001,則選擇Unscale按鈕。
4、光順網格

  如果在網格劃分軟件中劃分的網格質量相當該,可以忽略此步。選擇下拉菜單【Mesh】→【Smooth/Swap】,彈出網格光順對話框,設置合適的值,并進行光順。

5、轉速單位設定  Fluent默認的角速度單位為rad/s,我國一般采用r/min,如果轉速為r/min則在【General】選項卡中點擊【Units..】按鈕進行設置,設置角速度單位為rpm(r/min),如圖所示:
6、設置運行環境(重力場)

  在【General】選項卡中,勾選Gravity可選對話框,進行重力加速度設置。如圖所示:

7、求解器設置

  在【General】選項卡中設置求解器。本次教程采用定常模擬,因此設置為穩態、單元壓力梯度、絕對速度。見圖9。

8、設置計算模型

  點擊①Models按鈕,彈出Viscous Model設置對話框。選擇②k-epsilon選項并進入k-ε設置。本教程采用③標準k-ε模型,④標準壁面函數。如圖所示:

9、定義材料  Fluent默認流體材料只有air(空氣),僅此需要添加清水或其他流體。點擊①【Materials】按鈕,在Materials選項卡中單擊②【Create/Edit...】按鈕,彈出創建/編輯材質對話框,單擊③【Fluent Database...】按鈕彈出Fluent材質數據庫對話框,在④Fluent Fluid Materials中找到water-liquid(h2o<l>),并單擊⑤【Copy】按鈕完成對清水的添加。如圖所示:
  注意:如果對水有特殊的要求,還可以在在Create/Edit Materials對話框中對水進行物理狀態設置。10、定義流體域

  在泵中,存在多參考坐標系,即蝸殼和進出口部分為靜止區域,葉輪為旋轉區域,因此需要對葉輪區域進行特別設置,即MRF模型。點擊Cell Zone Conditions,在Cell Zone Conditions選項卡中可以看到三個流體域,即所設想的進口段、葉輪旋轉區域、蝸殼區域。

圖16 定義流體域

  雙擊葉輪區域(這里我為其命名為domain-impeller),或者單擊葉輪區域,單擊【Edit...】按鈕,彈出Fluid設置對話框。

注意:必須要注意Type下面的類型,有時候我們網格導入后并不一定為fluid,可能是solid,如果是solid固體,需要將其轉換為fluid。

  在下拉框①中設置材質名稱為water-liquid,勾選Frame motion,出現旋轉區設置。在②中設置轉速,IS80-65-125轉速為2950rpm,③中設置旋轉軸,根據模型創建時的方向,設置旋轉軸為X軸(根據右手定則判斷,反方向為-1,正方向為+1)。如圖所示:

圖17 定義葉輪旋轉區域  設置進口段、蝸殼區域。過程略,同葉輪區域。區別是沒有Frame Motion選項,為靜止區域。如圖所示:

11、進、出口設置邊界條件

  點擊①Boundary Conditions按鈕,在Boundary Conditions選項卡中選擇進口(這里我為其命名為inlet),并在Type類型里選擇合適的類型(這里我選擇的是質量流量進口mass flow-inlet),選擇【Edit】按鈕,彈出Mass Flow Inlet設置對話框在傘中設置合適的值、參數,其余可保持默認,也可以在Turbulence中設置合理的初始值,可有利于提高計算精度。注意這里的湍動能和湍流耗散率是估算的,估算方法請參閱相關資料。如圖所示:

12、旋轉壁面設置  旋轉壁面主要是葉輪上的壁面。這里我將旋轉面分為了兩部分,分別是葉片部分和葉輪蓋板部分。設置為移動壁面。相對于流體單元區域旋轉、無滑移壁面。設置如圖所示:

  壁面邊界條件在模擬的時候,如果要考慮壁面的粗糙度,還要填寫Wall Roughness中的Roughness Height參數。該值對模擬出的揚程、扭矩都有一定的影響。Roughness Constant可以保持默認(對結果也有影響)。蝸殼、進出口段的壁面粗糙度設置類似,后面不再贅述。13、設置進口壁面、蝸殼壁面邊界條件  對于如進口、蝸殼等靜止區域的壁面邊界條件,可以保持默認狀態,也可以進如Wall設置對話框。相對于12旋轉壁面設置,在②中設置Wall Motion 為Stationary Wall、NoSlip即可(或者加上考慮粗糙度)。14、設置交界面  點擊①Mesh Interfaces,在Mesh Interfaces選項卡中單擊②【Create/Edit...】按鈕彈出對話框,在③中設置交界面名稱并在Interface Zone 1和Interface Zone 2中選擇交界面。如圖所示:
  注意:在Fluent14.5版本中交界面是可以多選的,但不能重復。這里的交界面只有兩對,設置比較簡單。如果交界面設立的比較多,可以考慮采用命令行進行設置。設置方法如下:definemesh-interfacescreateimpeller-inletpipeinterface-impeller-inletpipe (回車)interface-inletpipe-impeller(回車)(回車)(回車)(回車)createimpeller_shellinterface-impeller-shell(回車)interface-shell-impeller(回車)(回車)(回車)(回車)create....quitquit(回車)  命令可以參考Fluent幫助文檔或相關書籍。15、檢查網格  之所以把檢查網格放在設置交界面之后,是因為在Fluent 14.5版本中,如果有交界面的存在,沒有設置的話會出現警告提示。設置完交界面后就沒有提示了。此步最好在一開始就檢查,壁面前面不必要的過程。檢查網格在【General】選項卡中點擊【Check】按鈕即可。檢測通過標準為最小體積為正值。當然在高版本中可以忽略此步,因為在導入網格的時候如果存在負體積網格Fluent會給出錯誤提示。當然,我們在網格劃分的時候只要仔細點就不會出現負體積網格。16、設置求解方法

  點擊①Solution Methods,在Solution Methods選項卡中進行相關設置。在②中可以選擇SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled算法。相關研究指出,對于離心泵定常模擬,SIMPLEC、SIMPLE算法更接近實驗值,當然你也可以都算一遍,并總結出自己的規律。在③中設置曲線變化率、壓力耦合算法、迎風格式(二階迎風格式對于非結構網格具有更高的精度,相關資料請參閱Fluent相關書籍)等。如圖所示:

17、求解控制

  在Solution Control選項卡中設置欠松弛因子,以改變收斂速度,一般此處不用修改,除非收斂困難時可以以修改。欠松弛因子的大小設置是有區別的,請參閱相關手冊。如圖所示:

18、監視殘差

  具體設置步驟如圖所示,其中④【Plot】按鈕可以在計算獲得結果后任何時候查看曲線。

19、創建檢測點

  與17步同一個選項卡下,在Surface中單擊②創建按鈕進行設置。本次我們關心出口總壓的變化,因此對出口進行監測。對出口壓力的監測,可以大體判斷是否收斂。當殘差計算到一定精度時,觀察出口壓力不再變化,并查看進出口流率是否相等即可判斷收斂。

20、初始化

  本次教程初始化選擇Inlet作為初始化條件。

圖28 初始化

21、計算

  設置最大計算步,并開始計算。如圖所示:

圖29 開始計算

22、殘差曲線

  計算至592步計算收斂(收斂條件為1×10^-3)。查看殘差曲線。

四總結  述過程僅僅對一個點進行模擬,如果想獲得不同工況下的內部流態和性能曲線,需要對進口邊界條件進行不同工況的設置計算即可。

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