Fluent算例精选｜01离心泵流场分析

本算例使用的软件：fluent、icem、cfd-post

通过学习本算例您将获得？

1、学会离心泵基本仿真流程

2、周期性网格设置

3、旋转机械MRF方法设置

4、通用旋转机械cfd-post后处理

如何获取本算例全部原始文档（mesh、cas、dat）？

目 录

1.摘要

2.离心泵模型介绍

3.前处理

4.求解设置

4.1启动Fluent

4.2读入文件

4.3定义求解器

4.4模型设置

4.5添加材料

4.6设置区域条件

4.7边界条件设置

4.8求解方法设置

4.9流场初始化

4.10求解

5.后处理

5.1启动Fluent

5.2收敛残差曲线

5.3进出口流量计算

5.4定义旋转机械拓扑结构

5.5定义Iso Surface

5.6显示压力云图

5.7显示整体模型

5.8显示速度矢量图

5.9显示迹线图

1. 摘要

离心泵是各种泵中最主要类型，具有很多优点例如:转速高、体积小、重量轻、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和维修等优点，在给排水还有农业产业、固体颗粒的液体运输产业、石油还有化学工业、航空航天与航海产业、能源产业和车辆工业等国民经济建设的每个产业领域都有非常广泛的应用。随着新兴产业的兴起比如信息、生命和海洋等产业的出现，离心泵会有更加广阔的发展前景。

2. 离心泵模型介绍

本案例所模拟的是一种离心泵的流场分析。图1是三维模型示意图，叶轮的进口直径为94mm，进口轴孔直径为28mm，叶轮出口直径为220mm，出口宽度为15mm，转速为2900r/min，扬程为50m，设计流量为60m³/h。

图1  模型示意图

3. 前处理

由于叶轮具有周期性，考虑节省计算资源，叶轮内部流场计算采用单流道周期性边界模型，在ICEM CFD中划分网格。将模型边界分别命名为进口inlet、出口outlet、轮毂面hub，机匣面shroud，周期性边界periodic，叶片blade，如图2所示。

将ICEM CFD划分完成的网格导出，存为pump.msh文件。

        图2  网格划分示意图

4. 求解设置

4.1 启动Fluent

双击Fluent，将Dimension修改为3D，如图3所示。

图3  Fluent 启动界面

4.2 读入文件

在FLUENT主界面中，单击主菜单中【File】→【Read】→【Mesh】，弹出如图所示的Select File对话框，选择扩展名为pump.msh的网格文件，单击OK按钮便可以导入网格。

点击【General】→【check】，检查网格质量，确保不存在负体积,检查结果如图4所示。

图4 检查结果

4.3 定义求解器

点击模型树中的【General】,在面板中,Time类型选择Steady，设置如图5所示。

图5  总体模型设定面板

4.4 模型设置

打开模型树中的【Model】→【Viscous】选择Spalart-Allmaras模型，设置如图6所示。

图6  Model设置

4.5 添加材料

双击模型树中的【Materials】, 按照图7依次进行操作。双击air材料，在弹出的对话框右侧选择【Fluent database】，在Fluent Database Materials对话框中找到water-liquid项，单击下方copy选项。

图7  材料添加

4.6 设置区域条件

双击模型树中的【Cell Zone Conditions】。双击【body(fluid)】，在弹出的对话框【Materials Name】中选择water-liquid，选中【Frame Motion】，【Rotation-Axis Direction】为（0，0，1）（绕Z轴旋转），在【Rotational Velocity】中输入转速-2900rpm（右手法则），点击OK按钮，设置如图8所示。

图8  区域条件设置

4.7 边界条件设置

双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的inlet，在下方的TYPE中选择为velocity-inlet，将Velocity Magnitude数值改为2.77m/s，其余保持默认，如图9所示。编辑【Zone】中的outlet，在下方的TYPE中选择pressure outlet，设置出口压力为450000pa，保持默认，单击OK，如图10所示。编辑【Zone】中的blade，在下方的TYPE中选择wall，双击blade，选择【Wall Motion】为Moving Wall，选择【Motion】为Relative to Adjacent Cell Zone,选择运动类型为Rotational，设置【Speed】为0r/min，设置【Rotation-Axis Direction】为（0，0，1）保持默认，单击OK，如图11所示。按照与blade相同的方法设置hub边界（tip：可使用复 制边界命令）。编辑【Zone】中的shroud，在下方的TYPE中选择wall，双击shroud，选择【Wall Motion】为Moving Wall，选择【Motion】为Absolute,选择运动类型为Rotational，设置【Speed】为0r/min，设置【Rotation-Axis Direction】为（0，0，1）保持默认，单击OK。编辑【Zone】中的periodic1，双击periodic1，选择旋转周期类型为Rotational，如图12所示。

图9  速度入口设置

图10  压力出口设置

图11  随区域运动的壁面边界设置

图12  旋转周期边界设置

4.8 求解方法设置

双击【Solution Methods】，设置如图13所示。

图13  求解方法设置

4.9 流场初始化

双击【Initialization】，将默认的Hybrid Initialization改为Standard Initialization，在Compute from对话框中选择inlet，如图14所示。

图14  流场初始化

4.10 求解

双击【Monitors】，单击 Residual，设置收敛精度，如图15所示。

图15  收敛精度设置

双击【Run Calculation】，单击Check Case，检查设置流程。如果有设置偏差 ，会出现相应的提示，本案例出现图16所示的提示。若设置完全正确，会出现图17所示对话框。

图16   需要修改的提示

图17  完全正确的提示

设置Number of Iterations为1000步，单击Calculate，开始计算，如图18所示。

图18  求解设置

5. 后处理

5.1 启动Fluent

单击【File】→【Load Result】，读取Fluent计算结果，如图19所示

图19  读取Fluent计算结果

5.2 收敛残差曲线

迭代残差收敛曲线如图20所示。

图20  迭代残差收敛曲线

5.3 进出口流量计算

单击主菜单中Report再双击Fluxes，在Flux Reports对话框中选择Mass Flow Rate，Boundaries选择inlet和outlet,再点击Compute按钮计算，如图21所示。

图21  进出口流量计算

5.4 定义旋转机械拓扑结构

单击菜单栏【Setting Up Domain】-【Turbo Topology】定义透平拓扑，设置Turbo Topology Name为默认值，选择Boundaries为hub，选择Surface为hub，依次如表1对应，最后单击Define按钮进行拓扑定义，设置如图22所示。

表1  透平拓扑定义

图22  定义透平拓扑

5.5 定义Iso Surface

创建等值子午面：点击【Surface】-【Creat】-【Iso-Surface】定义等值面。在【Surface of Constant】菜单下选择【Mesh】和【Meridional Coordinate】，在【Iso-Values】中输入0.2，在【New Surface Name】中命名为meridional-coordinate-0.2，点击Create创建完成，用同样的步骤，定义Iso-Values分别为0.4，0.7，0.8的等值面，如图23所示。创建等径圆柱面：点击【Surface】-【Creat】-【Iso-Surface】定义等值面。在【Surface of Constant】菜单下选择【Mesh】和【Spanwise Coordinate】，在【Iso-Values】中输入0.5，在【New Surface Name】中命名为spanwise-coordinate-0.5，点击Create创建完成，如图24所示。

图23  定义等值子午面

图24  定义等径圆柱面

5.6 显示压力云图

单击，创建等值子午面压力云图，双击Contours，在Contours of中选择Pressure和Static Pressure，在Surfaces中选择inlet，outlet，meridional-coordinate-0.2，meridional-coordinate-0.4，meridional-coordinate-0.7，meridional-coordinate-0.8，点击Save/Display，设置如图25所示，结果如图26所示。创建等径圆柱面压力云图步骤与等值子午面相似，不同的是将Surfaces改为spanwise-coordinate-0.5，结果如图27所示。

图25  静压云图显示设置

图26  等值子午面压力云图显示

图27  等径圆柱面压力云图显示

5.7 显示整体模型

点击菜单【Display】-【Views】，在弹出的对话框中，单击【Periodic Repeats

】中的【Define】来定义模型的周期性，设置如图28所示，结果显示如29所示。

图28  周期性定义

图29  整体模型等径圆柱面压力云图显示

5.8 显示速度矢量图

单击，创建速度矢量图，双击Vectors，在Vectors of中选择Relative Velocity，在Surfaces中选择spanwise-coordinate-0.5（即等径圆柱面上），在Scale输入10，Skip输入40，点击Save/Display，设置如图30所示，结果显示如图31所示。

图30  相对速度矢量图显示设置

图31  等径圆柱面速度矢量图显示

5.9 显示迹线图

单击显示迹线图。双击Pathlines，在Style栏中选择line-arrows；单击Style Attributes，定义Spaceing Factor=20，Scale=0.2，单击OK按钮确定；定义Steps=50000，Path Skin=30，在Release From Surface栏中选择inlet，其余保持默认按钮，单击Save/Display按钮，设置如图32所示，结果显示如图33所示。

图32  速度迹线图显示设置

图33  速度迹线图显示