基于ANSYS 2019R1全解一款双吸泵的双向流固耦合方法

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用ANSYS Workbench进行动网重构和叶轮机械仿真的步骤和注意事项。文章详细阐述了从模型设置、材料属性编辑、网格划分、约束与物理参数设置、分析参数设计、系统耦合器设置到求解顺序和保存数据节点等各个步骤的操作方法和要点。同时，文章也提醒读者注意耦合面数据有效性的百分比和计算完成的残差图和测点位移图的检查。本文旨在为读者提供一份详细的仿真操作流程，帮助读者更好地理解和应用ANSYS Workbench进行叶轮机械仿真。

一、导读

对于旋转机械来说，传统设计从理论计算到手工木模图，再到模型泵的加工制造，最后进行相关性能试验。当性能试验与预期效果差距较大的时候还需要修改水力模型。这种传统的设计不仅设计周期长，而且成本也高，在没有成熟的水力模型参考的情况下做设计风险也较大。

而日益强大的CFD技术为旋转机械行业的发展提供了非常有力的工具。大量工程实践证明像CFX、Fluent以及Pumplinx等流产分析软件具有较高的计算精度，为旋转机械企业创建了高效的水力模型库和CFD分析与实验数据库；传统的旋转机械企业借助CFD技术开发新产品和优化已有的产品找到适合自身技术创新的思路，也是企业发展的动力。

期间涌现出一些优秀的水力设计软件如：Cfturbo、ANSYS的Vista旋转机械设计系统、还有Nrec、以及一些国产的水力设计软件。但拥有这些设计和分析软件的使用方法绝不等于我们可以做好一个产品，可以优化好一个产品。也需要从业人员一定的的基础理论知识和基础设计参数对产品性能的影响程度。

本文重点介绍一款双吸泵的双向流固耦合的方法，采用ANSYS2019R1版本。

图一：双吸泵流固耦合的分析流程

主要的模块：Icem、Fluent、Transient Structure、System Coupling

二、全解一款双吸泵的双向流固耦合方法

第一步：在SolidWorks中，同时创建转子部件和叶轮水体建模

建模思路可以参考我刚刚在仿真秀官网发布的《旋转机械水力工程案例精品课10讲，使用Solidworks进行旋转机械建模专训》

图二：叶轮水体与转子部件

（其中蓝色为叶轮水体域，另一为转子部件）

※在建模时应该注意，尽量流体域和零件模型一体生成，以此保证固液耦合面的点坐标对应。

第二步：在Icem中划分水体装配的四面体网格

网格数量650W，最低质量0.35，最小角度19°。※在定义Part的时候将固液耦合面做成一个Part方面后面设置。

图三：水体域的网格划分

第三步：Fluent流体模型与动网格的设置

图四：几何尺寸的检验

1、将流体域网格导入Fluent中，※如果是单独打开Icem软件划分网格一定要注意模型的几何尺寸按照上图流程进行。如果在Workbench中按照流程图进行网格划分则无需进行上述操作。至于网格检验，没有必要进行，因为在Icem中都已经处理好了。

2、Models中设置湍流模型为标准的K-e模型。

3、Materials中选择流体模型为Water-liquid

4、第一流体域材料属性和转速

吸入室流体域的定义：如图所示只需要更改材料为“Water”即可。蜗壳流域的定义和吸入室“Body_in”一致。

图五：吸入室流体域的定义

叶轮流体域的定义：更改材料为“Water”，定义转速之前先修改转速的单位为“rpm”，输入转速为-2980r/min，*遵循“右手螺旋定则”，一定要注意旋转轴之前遇见个别同志粗心搞错了。

图六：叶轮流体域的定义

5、边界条件的定义

进口“inlet”如图选择速度进口“Velocity-inlet”，进入设置选项卡设置进口流速为2.75m/s，其余默认。出口采用自由出流“outflow”。

图七：inlet和outlet的定义

6、叶轮壁面如图所示：对于叶轮壁面我们需要将“wall Motion”设置为“Moving Wall”，在“Motion”中选择“Relative to Adjacent Cell Zone”，运动类型定义为“Rotational”，旋转轴为（1,0,0）.其余保持默认。其余壁面只需要改为“wall”，无需设置。

图八：叶轮壁面的定义

7、动网格“Dynamic Mesh”的设置

固液耦合面动网格设置如图：具体操作视频参考仿真秀《旋转机械水力工程案例精品课26讲-掌握水力机械流场分析和流固耦合分析》（尚未更新到此）。在这里选择“Smoothing”和“Remeshing”法

“Smoothing”设置对话框中：

Spring Constant Factor：大小在0-1之间，默认值为1，较大变形取小数值，利于网格的变形，当变形量较小时取大值。一般不是太软的材料先取较大的数值，如果出现报错再去调整吧。

Convergence Tolerance：网格变形计算的收敛精度。网格变形的计算采用“迭代法”的思想，一般默认值为0.001。这个一般不修改Number of Iterations:迭代次数。计算如果得到收敛精度，则计算停止，最大迭代步数受次控制。如果需要计算快一些节约时间可以设置较小的迭代步数，但可能会牺牲精度。

Element：更新网格的类型，选择“All”

至于边界节点松弛因子：一般默认值，不做修改。为0的时候表示边界网格的节点的位置不做变化，1表示边界网格节点不使用松弛。

如果网格为结构网格，需要命令激活网格光顺法。

图九：结构网格命令激活网格光顺法

图十：动网光顺法格的设置

“Remeshing”设置，勾选局部的单元，局部的面。“Local Cell”，“LocalFace”。激活尺寸函数“Sizing Function”。

其中：Resolution尺寸函数分辨率，Variation：尺寸函数变量，Rate：尺寸函数变化率。这个我看了很多文档以及各个老师的解释，感觉比较麻烦，一般激活尺寸函数，这些参数的设置使用“Default”让软件推荐。我做过一些对比大多数情况下激活尺寸函数和不激活计算的结果相差不大。

当然根据个人的实际问题出发，仅仅是个人不成熟的经验。

1、 minimum length scale：最小网格尺寸，当网格变形之后尺寸小于该尺寸时，网格将会被合并

2、maximum length scale：最大网格尺寸。当网格变形之后尺寸大于该尺寸时，网格将会分裂

3、 maximum cell skewness：网格单元最大扭曲率，当网格变形大于该值网格会进行重构。我个人一般取（0.7-0.9）

4、maximum face skewness：最大面扭曲率，与单元歪斜度类似。我个人一般取（0.65-0.85）

5、size remeshing interval：网格重构频率。（一般默认，但是该数值还是重要的对计算的影响较大）当网格重构频率设置较大的时候，随着迭代计算的进行，网格变形量的累计，网格的变形与重构受网格尺寸与扭曲率的影响也就越大。反之越小。酌情设置，报错就改的原则。

上述的设置，如果不是特别清楚，建议查看设置对话框中的“Mesh Scale Info”选择适合参数，或者使用软件推荐的数值，只需要单击“Default”.一般扭曲率取在经验值之间。

图十一：动网重构的设置

6、FSI流固耦合面的设置*（在做模型的时候在ICEM中可以将叶轮的固液耦合面做成一个Part，减小FSI的设置量）。将固液耦合面，变形类型选择“System Coupling”系统耦合器。其余默认，在这里有个“Meshing Opyions”里面有个单元高度，这个值我做过一些简单的对比，发现该值对结果影响不大。还是要根据个人实际问题去设置，在本案例中我们不做设置采用默认值。

图十二：动网重构的设置

第四步：Solution Methods采用默认的“SIMPLE”算法，检测项这里不做设置

第五步：初始化，操作如图

第六步：计算节点保存的输出频率，这个根据自己电脑硬盘的情况和需求酌情设置

图十三：保存设置

第七步：求解设置

图十四：保存设置

在这里时间步长可以不做设置，但是不能为0，因为该处的时间受“System Coupling”的控制。迭代步数设置根据实际情况，数值越大计算量都是代数倍的增加。

第八步：结构模块的设置Transient Structural

1、编辑材料属性：使用默认材料，实际做的时候根据转子部件的材料需求来做设置。一般材料属性修改材料的密度，杨氏模量，泊松比。根据需求自己调整。

2、直接单击Mesh，打开模块后在Model（B4）中设置对应Geometry的材料属性，操作如图。

图十五：材料设置

3、叶轮和轴的接触面软件会自动识别为绑定接触，一般不做修改。

4、网格划分，这里操作比较简单。采用自动网格划分，适当加密FSI面。

图十六：网格划分

5、在“Transient （B5）”上右键插入约束与各物理参数。设置圆柱约束“Cylinder Support”，这里是否释放自由度自己可以根据需要来做。端面约束“Fixed Support”。设置物理参数。主要设置转子部件的转速“Rotational Velocity”，重力场“Standard Earth Gravity”（卧式转子部件重力方向不能与轴平行）操作如图