ansys離心泵聲學仿真的案例
ANSYS Fluent離心泵仿真計算
05
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結果展示
圖11 離心泵揚程隨時間的變化
圖12 離心泵壓力場云圖
圖13 離心泵內流暢速度云圖
圖14 離心泵內流場矢量云圖
文章來源：數值模擬交流之林
ANSYS CFX 帶蝸殼離心泵性能仿真分析
一、模型說明
本案例基于ANSYS 2019R3 Workbench平臺，通過BladeGen軟件對離心泵葉輪水體進行建模，導入TurboGrid自動完成高質量六面體網格劃分；蝸殼水體通過ANSYS Meshing自動劃分非結構四面體網格；
拖拽CFX模塊，連接B2單元和C2單元，導入離心泵葉輪網格模型；連接D3單元和C2單元，右鍵更新D3單元，完成蝸殼和葉輪網格模型裝配；
雙擊C2單元啟動CFX-Pre，右鍵單擊葉輪模型通過“Transform Mesh”生成完整葉輪模型；
二、分析設置
定義計算域
右鍵單擊蝸殼模型插入靜止流體域命名“Volute”，鼠標點擊“Location”黃色區域，在圖形區域左鍵選擇蝸殼水體，并完成計算域設置；
選擇“Default Domain”右鍵重命名為“Impeller”，雙擊進行轉動域設置界面，定義材料-Water，相對壓力-0atm，轉速-1450RPM，以及轉軸-Z軸；關閉傳熱模型，設置湍流模型為SST（Shear Stress Transport）；
定義邊界條件
選擇“Impeller domain”右鍵插入入口邊界命名“Impeller Inlet”位置選擇“Entire INBlock INFLOW”；
設置入口相對壓力1bar；
選擇“Volute domain”右鍵插入出口邊界，設置出口邊界質量流率77.5kg/s；
選擇“Impeller domain”右鍵插入“旋轉-Rotaing”、“無滑移-No Slip wall”的hub wall、shroud wall 以及blade wall邊界；
選擇Interfaces右鍵插入Interface 邊界命名“domain Interface
展開 ANSYS Fluent Meshing-離心泵性能仿真網格劃分案例
，葉輪繞“X”軸逆時針旋轉，轉速340r/min；
定義動域和靜域間的“Interface”；
壓力分布云圖；
離心泵水力效率計算公式（Fluent Moment 查看離心泵扭矩M-N/S）；
四、總結
目前，對于離心泵CFD仿真應用已經非常成熟，計算仿真精度也非常高；
筆者之前也做過多次關于離心泵的仿真分析，但不確認是什么原因（可能是三維軟件軟件間的兼容性問題）導致拿到的三維模型導入ANSYS CFD前處理軟件后，對蝸殼和葉輪進行封閉，流體域抽取以及網格劃分操作比較繁瑣和耗時，尤其是對“Interface”的處理（封閉面與模型間存在漏洞，葉輪和蝸殼水體域共節點網格失敗等等）；
而現如今，借助Fluent Meshing的“Fault-tolerent Meshing”工作流能夠大大的減低模型前處理和網格的難度，提高工作效率，所以忍不住趕緊整理分享，希望對大家的CFD仿真學習和工作帶來幫助。
展開 使用 ANSYS CFX 對離心泵內的流動進行瞬態仿真 ￥10
使用 ANSYS CFX 對離心泵內的流動進行瞬態仿真。湍流模型采用 SST。同時包含 CFX 定義文件。
基于CFX---Turbo的離心泵仿真流程
但CFX基于ANSYS的多場耦合會更強。
壹
蝸殼流道抽取、網格劃分
這里介紹一種從CAD到CAE的模型中間處理軟件SCDM，通過這款軟件能夠實現模型修復以及流道抽取，本次案例的流道抽取就是在SCDM中完成流道抽取。
網格劃分是在ANSYS Meshing中完成，ANSYS meshing能夠快速完成非結構的網格劃分，當然比不上FM。
蝸殼流道
貳
葉輪 網格劃分
本次的葉輪流道是在turbogrid中劃分的單流道網格，turbogrid能夠快速的劃分葉輪機械葉片的結構化網格。
CFD仿真：離心泵設計中的效率優化
前言
在處理渦輪機械時，例如壓縮機、螺旋槳或離心泵等，最輕微的設計變化往往會產生巨大的影響。根據機器的不同，即使是1% 的效率提高，也可以在機器的使用壽命內節省數千美元的成本。
渦輪機械在轉子和流體之間傳遞能量。通過這種方式，機械能被轉換為壓力或揚程。通常在渦輪機械設計中，工程師的主要目標是效率、可靠性、性能和延長使用壽命。粗略地說，機器應該在盡可能長的時間內盡可能好地運行、有效地回收盡可能多的能量，并且需要盡可能少的維護。雖然這些因素符合制造商、供應商和客戶的直接利益，但由于環境影響法規的收緊和人們對舒適度需求的增加，噪音污染或排放等其它考慮因素變得越來越重要。所有這些方面都需要在設計階段進行仔細評估。
案例：用CFD設計離心泵
作為渦輪機械的一個例子，本案例模擬了一種常見的泵類型 - 離心泵。這種類型的泵通過旋轉元件將機械旋轉能量轉換為流體中的能量。為了最大限度地提高效率，減少能量損失以確保離心泵利用盡可能多的動力至關重要。例如，由于摩擦或再循環（回流），可能會發生能量損失。計算流體動力學（CFD）可以以扭矩、軸向推力、壓降和域內任何點的流速的形式量化性能，以確定可以優化效率的區域。
圖1：離心泵設計的CFD分析
有許多設計方面會影響泵的效率，例如泵殼體，葉輪蓋板、葉輪葉片數量或葉片角度等。以葉輪為例，可以改變其尺寸，例如增加直徑，但這會增加其質量，從而導致更大的能量損失。
展開 OpenFOAM 開放泡沫中離心泵的性能仿真 ￥10
在 OpenFOAM 中使用 MRFSimpleFoam 對離心泵進行穩態 CFD 仿真。對于此模擬，泵的 CAD 模型是在 FreeCAD 中生成的。泵模型由入口區域、葉輪和蝸殼組成。在 Salome 中分別為每個區域創建網格，然后在 OpenFOAM 中合并這些網格。在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區域的一組控制方程，而對于旋轉區域，控制方程包含附加源項。進行模擬，直到從一次迭代到下一次迭代的力和力矩的變化可以忽略不計。根據 CFD 結果計算出揚程和功率項等泵特性，并與經驗結果進行比較。
OpenFOAM 開放泡沫中離心泵的性能仿真 ￥10
在 OpenFOAM 中使用 MRFSimpleFoam 對離心泵進行穩態 CFD 仿真。對于此模擬，泵的 CAD 模型是在 FreeCAD 中生成的。泵模型由入口區域、葉輪和蝸殼組成。在 Salome 中分別為每個區域創建網格，然后在 OpenFOAM 中合并這些網格。在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區域的一組控制方程，而對于旋轉區域，控制方程包含附加源項。進行模擬，直到從一次迭代到下一次迭代的力和力矩的變化可以忽略不計。根據 CFD 結果計算出揚程和功率項等泵特性，并與經驗結果進行比較。
使用 COMSOL 仿真軟件模擬離心泵
為了分析各種不同的泵配置，該幾何結構被高度參數化。
離心泵幾何模型。
教學模型通過一步步指導，演示了各種實用的建模操作，這包括：
對旋轉域和非旋轉域分割幾何
利用參數化分析計算泵特性曲線
拉伸網格、入口通道和出口通道
使用高度參數化定義幾何
幾何特征去除
專業的離心泵建模功能
COMSOL? 軟件中的凍結轉子 特征是分析離心泵及其他類型的渦輪機械的“利器”。凍結轉子近似的基本作用是在指定位置上凍結轉子運動，使用戶可以研究固定位置上的轉子流場。
凍結轉子近似由納維-斯托克斯和連續性方程控制，可節省計算時間和資源。常見的離心泵模型需要使用動網格，往往在模擬混合器從靜止狀態切換到基本混合模式的“啟動”階段上耗費大量時間。凍結轉子方法假設泵的葉片相對于葉輪是凍結的，并且可向周圍區域施加離心力。它還可以良好地計算泵的擬穩態條件。近似值可用作完整仿真的初始條件，借此計算出一段時間步的最終解。
專門的 CFD 功能可以幫助用戶更輕松地求解復雜的離心泵模型。
在 COMSOL? 軟件中，你也可以使用代數多重網格（AMG）方法來求解具有詳細又復雜的大型幾何結構的 CFD 模型。此方法無需使用不同級別的網格（事實上，它只需要一個網格）。這項功能可以為計算成本極高的非線性模型提供穩健的解。
查看仿真結果
運行仿真之后，你可以繪制離心泵入口和出口處的質量流量計探頭。此例中，入口和出口的值相等，這表明我們沒有在此質量守恒中觀察到任何可能存在的數值誤差。近乎完美的質量守恒表明數值誤差應該很小。下表中的“躍值”表示入口處總壓力的變化。
觀察下圖中的壓力和速度大小分布，可以看到，從入口通向泵蝸殼的徑向方向上，壓力上升，而速度反復變化。
模型方程的解可生成泵性能曲線。
展開 Fluent實用案例 | 旋轉機械離心泵RBM瞬態仿真
<p>本案例利用Fluent中的滑移網格（RBM）模型，對離心泵性能問題進行了瞬態仿真計算。該案例僅對離心泵的瞬態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。本文的相關設置依托于<a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2MTg5ODU3Ng==&mid=2247485266&idx=1&sn=c0b3f482d2d320f473b1e70095cec80e&scene=21#wechat_redirect" rel="noopener noreferrer" target="_blank">Fluent MRF 旋轉機械離心泵靜態仿真(一) </a>。</p><p><strong>1 workbench 設置</strong></p><p>本案例具體設置如下圖 ：</p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202509/fab6a2540649e0a6045f8802e34c0da7.png"></p><p><strong>2 SCDM 設置</strong></p><p><strong>2.1 導入幾何</strong></p><p>本案例的離心泵模型在ansys的離心泵設計軟件中進行構建，并導入SCDM中 。
展開 用CFD仿真優化離心泵的設計
這意味著隨著流速加大，泵的功率消耗在達到一個極限后趨于穩定。
離心泵設計優化研究
流體在渦輪機內的流動非常復雜，主要是因為三維結構帶來的湍流、二次流、不穩定等。
離心泵設計過程初期主要是基于經驗相關性，以及模型試驗與工程經驗的結合，但現在的設計要求對內部流動情況有詳細的了解。借助CFD的幫助，有望實現這一目標。
CFD仿真使離心泵內部流動的可視化成為可能，并為泵的水力模型設計提供了富有價值的信息。仿真結果被用來計算和預測離心泵的性能，從而取代了過去耗時而成本高昂的物理實驗，除了縮短整個設計周期外，還節省了大量工作。
項目概況
本案例研究采用了“用CFD仿真優化離心泵的設計”這個仿真項目作為模板。
展開 
OpenFoam離心泵數值仿真與Flunt、StarCCM計算結果對比
五：計算結果分析
根據計算結果繪制出三款軟件不同質量流量工況下離心泵揚程、轉輪力矩、效率及轉輪軸向力曲線圖（如圖4-7）。
圖四：質量流量-揚程流線圖
圖五：質量流量-力扭矩曲線圖
圖六：質量流量-效率曲線圖
圖七：質量流量-轉向力曲線圖
結果表明：使用OpenFoam對離心泵進行數值仿真計算結果與商用軟件Fluent、StarCCM的計算結果一致。
展開 使用 COMSOL 仿真軟件模擬離心泵
為了分析各種不同的泵配置，該幾何結構被高度參數化。
離心泵幾何模型。
教學模型通過一步步指導，演示了各種實用的建模操作，這包括：
對旋轉域和非旋轉域分割幾何
利用參數化分析計算泵特性曲線
拉伸網格、入口通道和出口通道
使用高度參數化定義幾何
幾何特征去除
專業的離心泵建模功能
COMSOL? 軟件中的凍結轉子 特征是分析離心泵及其他類型的渦輪機械的“利器”。凍結轉子近似的基本作用是在指定位置上凍結轉子運動，使用戶可以研究固定位置上的轉子流場。
凍結轉子近似由納維-斯托克斯和連續性方程控制，可節省計算時間和資源。常見的離心泵模型需要使用動網格，往往在模擬混合器從靜止狀態切換到基本混合模式的“啟動”階段上耗費大量時間。凍結轉子方法假設泵的葉片相對于葉輪是凍結的，并且可向周圍區域施加離心力。它還可以良好地計算泵的擬穩態條件。近似值可用作完整仿真的初始條件，借此計算出一段時間步的最終解。
專門的 CFD 功能可以幫助用戶更輕松地求解復雜的離心泵模型。
在 COMSOL? 軟件中，你也可以使用代數多重網格（AMG）方法來求解具有詳細又復雜的大型幾何結構的 CFD 模型。此方法無需使用不同級別的網格（事實上，它只需要一個網格）。這項功能可以為計算成本極高的非線性模型提供穩健的解。
查看仿真結果
運行仿真之后，你可以繪制離心泵入口和出口處的質量流量計探頭。此例中，入口和出口的值相等，這表明我們沒有在此質量守恒中觀察到任何可能存在的數值誤差。近乎完美的質量守恒表明數值誤差應該很小。下表中的“躍值”表示入口處總壓力的變化。
觀察下圖中的壓力和速度大小分布，可以看到，從入口通向泵蝸殼的徑向方向上，壓力上升，而速度反復變化。
模型方程的解可生成泵性能曲線。
展開 Fluent Meshing | 離心泵性能仿真網格劃分案例
，“Surface mesh”基于創建的“Construction Surface”抽取葉輪水體域）；
4、尺寸函數定義，“Curvature”尺寸函數定義；
“Proximity”尺寸函數定義；
限制“交界面”網格尺寸不超過20mm；
5、面網格生成；
6、添加兩層邊界層，填充體網格，體網格數約120萬；
三、Fluent MRF求解
旋轉域定義，葉輪繞“X”軸逆時針旋轉，轉速340r/min；
定義動域和靜域間的“Interface”；
壓力分布云圖；
離心泵水力效率計算公式（Fluent Moment 查看離心泵扭矩M-N/S）；
四、總結
目前，對于離心泵CFD仿真應用已經非常成熟，計算仿真精度也非常高；
筆者之前也做過多次關于離心泵的仿真分析，但不確認是什么原因（可能是三維軟件軟件間的兼容性問題）導致拿到的三維模型導入ANSYS CFD前處理軟件后，對蝸殼和葉輪進行封閉，流體域抽取以及網格劃分操作比較繁瑣和耗時，尤其是對“Interface”的處理（封閉面與模型間存在漏洞，葉輪和蝸殼水體域共節點網格失敗等等）；
而現如今，借助Fluent Meshing的“Fault-tolerent Meshing”工作流能夠大大的減低模型前處理和網格的難度，提高工作效率，所以忍不住趕緊整理分享，希望對大家的
展開 Fluent實用案例 | MRF旋轉機械離心泵靜態仿真
本案例利用Fluent中的MRF模型，對離心泵性能問題進行了仿真計算。該案例僅對離心泵的穩態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。本案例采用的離心泵為8個葉片，以轉速為1200rpm，入口質量流量為280kg/s為標準設計相關模型，實際計算時采用3m/s的速度入口。
1 workbench 設置
本案例具體設置如下圖 ：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
本案例的離心泵模型在ansys的離心泵設計軟件中進行構建，并導入SCDM中 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
3 Fluent Meshing 設置
3.1 網格設置
采用 Fluent meshing 進行網格劃分，采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。具體的網格劃分如下圖所示：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置與網格導入
由于本文僅分析對離心泵流場穩態特性展開分析，因此僅需要進行穩態計算結果的討論，此處的設置比較簡單，勾選為穩態計算，并選擇密度基求解器。
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