基于Fluent14.5離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬教程

2016-10-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一概述隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,許多領(lǐng)域?qū)λ靡笤絹碓礁摺鹘y(tǒng)的設(shè)計方法已無法滿足快節(jié)奏、高要求的現(xiàn)代社會。隨著計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展,為水泵設(shè)計也帶來了更好的研究方法。應(yīng)用CFD技術(shù),通過計算機(jī)對水泵內(nèi)部流場進(jìn)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(shè)計階段預(yù)測泵內(nèi)部流動所產(chǎn)生的漩渦、二次流、邊界分離、喘振、汽蝕等不良現(xiàn)象,通過改進(jìn)以提高產(chǎn)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(yùn)用Fluent對水泵進(jìn)行CFD模擬的步驟方法。二建模采用Creo 2.0 M020(Peo/Engineer)進(jìn)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(shí)證明對實(shí)際結(jié)果有一定影響,為了教程方便因此不予考慮,大家可以在實(shí)際工作中加入對前后腔體液體),建模只考慮進(jìn)口管部分、葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域部分、蝸殼部分。對于出口管,可以根據(jù)模型的特征進(jìn)行判別,本次模擬是由于出口管路對實(shí)際模擬結(jié)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(wǎng)格數(shù)量。建模如圖所示:

圖1 建立流道模型

三網(wǎng)格劃分建模完成后,導(dǎo)出*.x_t(或其他格式)格式,導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分軟件有很多,各有各的優(yōu)勢,主要采用自己熟練的一種即可。本次教程采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。進(jìn)口段為直錐型結(jié)構(gòu),采用六面體網(wǎng)格。葉輪和蝸殼部分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(也可以采用六面體網(wǎng)格,劃分起來比較麻煩)。對于工程應(yīng)用,可以采用不劃分邊界層網(wǎng)格,劃分邊界層網(wǎng)格比較費(fèi)時間,生成的網(wǎng)格數(shù)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(wǎng)格情況如圖所示:

圖2 進(jìn)口段網(wǎng)格

圖3 葉輪區(qū)域網(wǎng)格

圖4 蝸殼部分網(wǎng)格

圖5 整體網(wǎng)格裝配四Fluent設(shè)置,并進(jìn)行計算

1、啟動并設(shè)置Fluent

雙擊Fluent 14.5圖標(biāo),彈出如圖界面,進(jìn)行求解器設(shè)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(wǎng)格占用的內(nèi)存量。在設(shè)置界面還可以設(shè)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(wǎng)格的圖形界面為Workbench的默認(rèn)背景(藍(lán)色),如果不選則為黑色背景。背景可以再Fluent啟動后設(shè)置。Display Mesh After Reading為讀入網(wǎng)格后是否顯示網(wǎng)格,勾選后,讀入網(wǎng)格后默認(rèn)狀態(tài)為顯示網(wǎng)格,不勾選則不顯示。展開Show Fewer Options按鈕,可以或多更多的設(shè)置,如工作目錄等。

圖5 啟動Fluent14.5?

?2、導(dǎo)入網(wǎng)格??? 導(dǎo)入網(wǎng)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(jìn)行讀入網(wǎng)格。如果啟動Fluent后設(shè)置為默認(rèn)顯示網(wǎng)格,則讀入網(wǎng)格后會在圖形面板顯示網(wǎng)格,如果沒有設(shè)置,可以點(diǎn)擊左邊【General】按鈕,在【General】選項卡中點(diǎn)擊【Display】,并選取需要顯示的網(wǎng)格,并點(diǎn)Display進(jìn)行顯示。

?圖6 讀入網(wǎng)格方法1?

圖7 讀入網(wǎng)格方法2?

圖8 導(dǎo)入并顯示網(wǎng)格

3、縮放網(wǎng)格 Fluent啟動后默認(rèn)長度單位為m,有些模型在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時默認(rèn)的單位長度是mm,所以必須進(jìn)行網(wǎng)格縮放。在【General】選項卡中點(diǎn)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(shù)量級是1000,則更改②為mm,并點(diǎn)擊③Scale按鈕進(jìn)行網(wǎng)格尺度縮放。所過相差為0.001,則選擇Unscale按鈕。

圖10 網(wǎng)格縮放

4、光順網(wǎng)格

如果在網(wǎng)格劃分軟件中劃分的網(wǎng)格質(zhì)量相當(dāng)該,可以忽略此步。選擇下拉菜單【Mesh】→【Smooth/Swap】,彈出網(wǎng)格光順對話框,設(shè)置合適的值,并進(jìn)行光順。

圖11 網(wǎng)格光順

5、轉(zhuǎn)速單位設(shè)定 Fluent默認(rèn)的角速度單位為rad/s,我國一般采用r/min,如果轉(zhuǎn)速為r/min則在【General】選項卡中點(diǎn)擊【Units..】按鈕進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置角速度單位為rpm(r/min),如圖所示:

圖12 設(shè)置轉(zhuǎn)速單位

6、設(shè)置運(yùn)行環(huán)境(重力場)

在【General】選項卡中,勾選Gravity可選對話框,進(jìn)行重力加速度設(shè)置。如圖所示:

圖13 設(shè)置重力

7、求解器設(shè)置

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

8、設(shè)置計算模型

點(diǎn)擊①M(fèi)odels按鈕,彈出Viscous Model設(shè)置對話框。選擇②k-epsilon選項并進(jìn)入k-ε設(shè)置。本教程采用③標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,④標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。如圖所示:

圖 14 設(shè)置計算模型

9、定義材料 Fluent默認(rèn)流體材料只有air(空氣),僅此需要添加清水或其他流體。點(diǎn)擊①【Materials】按鈕,在Materials選項卡中單擊②【Create/Edit...】按鈕,彈出創(chuàng)建/編輯材質(zhì)對話框,單擊③【Fluent Database...】按鈕彈出Fluent材質(zhì)數(shù)據(jù)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:

圖15 定義材料

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(jìn)行物理狀態(tài)設(shè)置。10、定義流體域

在泵中,存在多參考坐標(biāo)系,即蝸殼和進(jìn)出口部分為靜止區(qū)域,葉輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,因此需要對葉輪區(qū)域進(jìn)行特別設(shè)置,即MRF模型。點(diǎn)擊Cell Zone Conditions,在Cell Zone Conditions選項卡中可以看到三個流體域,即所設(shè)想的進(jìn)口段、葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域、蝸殼區(qū)域。

圖16 定義流體域

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

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

在下拉框①中設(shè)置材質(zhì)名稱為water-liquid,勾選Frame motion,出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置。在②中設(shè)置轉(zhuǎn)速,IS80-65-125轉(zhuǎn)速為2950rpm,③中設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸,根據(jù)模型創(chuàng)建時的方向,設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸為X軸(根據(jù)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(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置進(jìn)口段、蝸殼區(qū)域。過程略,同葉輪區(qū)域。區(qū)別是沒有Frame Motion選項,為靜止區(qū)域。如圖所示:

圖18 定義進(jìn)口段流體

圖19 定義蝸殼區(qū)域流體

11、進(jìn)、出口設(shè)置邊界條件

點(diǎn)擊①Boundary Conditions按鈕,在Boundary Conditions選項卡中選擇進(jìn)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(zhì)量流量進(jìn)口mass flow-inlet),選擇【Edit】按鈕,彈出Mass Flow Inlet設(shè)置對話框在傘中設(shè)置合適的值、參數(shù),其余可保持默認(rèn),也可以在Turbulence中設(shè)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(guān)資料。如圖所示:

圖20 設(shè)置進(jìn)出口邊界條件

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

圖21 設(shè)置葉片壁面條件

圖22 設(shè)置葉輪前后面壁面條件

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(shù)。該值對模擬出的揚(yáng)程、扭矩都有一定的影響。Roughness Constant可以保持默認(rèn)(對結(jié)果也有影響)。蝸殼、進(jìn)出口段的壁面粗糙度設(shè)置類似,后面不再贅述。13、設(shè)置進(jìn)口壁面、蝸殼壁面邊界條件對于如進(jìn)口、蝸殼等靜止區(qū)域的壁面邊界條件,可以保持默認(rèn)狀態(tài),也可以進(jìn)如Wall設(shè)置對話框。相對于12旋轉(zhuǎn)壁面設(shè)置,在②中設(shè)置Wall Motion 為Stationary Wall、NoSlip即可(或者加上考慮粗糙度)。14、設(shè)置交界面點(diǎn)擊①M(fèi)esh Interfaces,在Mesh Interfaces選項卡中單擊②【Create/Edit...】按鈕彈出對話框,在③中設(shè)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:

圖23 設(shè)置交界面

注意:在Fluent14.5版本中交界面是可以多選的,但不能重復(fù)。這里的交界面只有兩對,設(shè)置比較簡單。如果交界面設(shè)立的比較多,可以考慮采用命令行進(jìn)行設(shè)置。設(shè)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(guān)書籍。15、檢查網(wǎng)格之所以把檢查網(wǎng)格放在設(shè)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(shè)置的話會出現(xiàn)警告提示。設(shè)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(wǎng)格在【General】選項卡中點(diǎn)擊【Check】按鈕即可。檢測通過標(biāo)準(zhǔn)為最小體積為正值。當(dāng)然在高版本中可以忽略此步,因為在導(dǎo)入網(wǎng)格的時候如果存在負(fù)體積網(wǎng)格Fluent會給出錯誤提示。當(dāng)然,我們在網(wǎng)格劃分的時候只要仔細(xì)點(diǎn)就不會出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格。16、設(shè)置求解方法

點(diǎn)擊①Solution Methods,在Solution Methods選項卡中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。在②中可以選擇SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled算法。相關(guān)研究指出,對于離心泵定常模擬,SIMPLEC、SIMPLE算法更接近實(shí)驗值,當(dāng)然你也可以都算一遍,并總結(jié)出自己的規(guī)律。在③中設(shè)置曲線變化率、壓力耦合算法、迎風(fēng)格式(二階迎風(fēng)格式對于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更高的精度,相關(guān)資料請參閱Fluent相關(guān)書籍)等。如圖所示:

圖24 設(shè)置求解方法

17、求解控制

在Solution Control選項卡中設(shè)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(shè)置是有區(qū)別的,請參閱相關(guān)手冊。如圖所示:

圖25 求解控制

18、監(jiān)視殘差

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

圖26 設(shè)置殘差

19、創(chuàng)建檢測點(diǎn)

與17步同一個選項卡下,在Surface中單擊②創(chuàng)建按鈕進(jìn)行設(shè)置。本次我們關(guān)心出口總壓的變化,因此對出口進(jìn)行監(jiān)測。對出口壓力的監(jiān)測,可以大體判斷是否收斂。當(dāng)殘差計算到一定精度時,觀察出口壓力不再變化,并查看進(jìn)出口流率是否相等即可判斷收斂。