一、描述   

　　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(jì)方法已無法滿足快節(jié)奏、高要求的現(xiàn)代社會(huì)。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，為水泵設(shè)計(jì)也帶來了更好的研究方法。應(yīng)用CFD技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)對水泵內(nèi)部流場進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，可以快速獲得外特性曲線，并且能夠更好的在設(shè)計(jì)階段預(yù)測泵內(nèi)部流動(dòng)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(shí)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(dòng)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 蝸殼部分網(wǎng)格

圖4 葉輪區(qū)域網(wǎng)格

圖5 整體網(wǎng)格裝配

四、Fluent設(shè)置，并進(jìn)行計(jì)算

1、啟動(dòng)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(jì)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(jì)算精度要高，但是時(shí)間要長。選擇③并行模式可以加快計(jì)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(dòng)后界面顯示，Workbench Color Window為背景顯示模式，勾選后Fluent 14.5啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)Fluent后設(shè)置為默認(rèn)顯示網(wǎng)格，則讀入網(wǎng)格后會(huì)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(xiàng)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(dòng)后默認(rèn)長度單位為m，有些模型在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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。如圖9所示

8、設(shè)置計(jì)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(xiàng)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(jì)算模型

---

9、定義材料

　　Fluent默認(rèn)流體材料只有air（空氣），因此需要添加清水或其他流體。點(diǎn)擊①M(fèi)aterials按鈕，在Materials選項(xiàng)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(xiàng)卡中可以看到三個(gè)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(shí)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(shí)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?yàn)?1，正方向?yàn)?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(xiàng)，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(xiàng)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MassFlow 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(jì)算精度。注意這里的湍動(dòng)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(dòng)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(shí)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步驟旋轉(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(xiàng)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：

define

mesh-interfaces

create

impeller-inletpipe

interface-impeller-inletpipe 

（回車）

interface-inletpipe-impeller

（回車）

（回車）

（回車）

（回車）

create

impeller_shell

interface-impeller-shell

（回車）

interface-shell-impeller

（回車）

（回車）

（回車）

（回車）

create

.

.

quit

quit

（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?yàn)樵贔luent 14.5版本中，如果有交界面的存在，沒有設(shè)置的話會(huì)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(xiàng)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?yàn)樵趯?dǎo)入網(wǎng)格的時(shí)候如果存在負(fù)體積網(wǎng)格Fluent會(huì)給出錯(cuò)誤提示。當(dāng)然，我們在網(wǎng)格劃分的時(shí)候只要仔細(xì)點(diǎn)就不會(huì)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(xiàng)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(yàn)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

16、求解控制

　　在Solution Control選項(xiàng)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(shí)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

17、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(jì)算獲得結(jié)果后任何時(shí)候查看曲線。

圖26 設(shè)置殘差

18、創(chuàng)建檢測點(diǎn)

　　與17步同一個(gè)選項(xiàng)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(jì)算到一定精度時(shí)，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。

圖27 創(chuàng)建出口總壓檢測

19、初始化   

本次教程初始化選擇Inlet作為初始化條件。

圖27 初始化

20、計(jì)算

　　設(shè)置最大計(jì)算步，并開始計(jì)算。如圖所示：

圖28 開始計(jì)算

21、計(jì)算完成并查看殘差曲線
　　計(jì)算至592步計(jì)算收斂（收斂條件為1&times;10^-3）。查看殘差曲線。

圖29 計(jì)算完成并查看殘差曲線

上述過程僅僅對一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行模擬，如果想獲得不同工況下的內(nèi)部流態(tài)和性能曲線，需要對進(jìn)口邊界條件進(jìn)行不同工況的設(shè)置計(jì)算即可。

• 鄭重聲明：本文由不吃醋的貓發(fā)布，所有內(nèi)容僅代表個(gè)人觀點(diǎn)。版權(quán)歸懶貓窩窩和不吃醋的貓共有，歡迎轉(zhuǎn)載。原文鏈接：http://www.lanmaowang.com/?p=36090。

• 對文章中具體內(nèi)容感興趣或者對使用CATIA幾何建模，ANSYS　ICEM網(wǎng)格生成，Pointwise軟件使用方法，ANSYS Fluent軟件，CFD++軟件，STARCCM軟件及開源軟件SU2軟件感興趣的讀者可以關(guān)注技術(shù)鄰賬號：Oler。