Fluent离心泵旋转流场模拟

一、离心泵的工作原理

离心泵的工作原理可以概括为液体通过泵轮的旋转产生离心力，使液体在泵体内形成旋转的涡流，然后涡流中的液体在离心力的作用下压力增加，并被推送到高压区域。这样，离心泵能够将液体从低压区域输送到高压区域。

二、模型描述

本文模拟离心泵泵水的过程，泵叶轮有5个叶片，旋转速度为1450转/分。蜗壳出口的质量流量为90 kg/s。入口表压为0 pa。模拟将确定泵产生的压头，表示流体的总压力增加。

三、基本设置

3.1 导入网格：  

使用Fluent软件打开Chapter66.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为3D模型，打开Fluent软件时需勾选3D。

导入mesh文件后，点击Display，将显示模型

3.2 修改模型尺寸  

本案例模型尺寸不需要修改，打开Scale mesh查看模型尺寸是否正确

3.3 求解器设置  

此处保持默认设置即可。基于密度求解器，稳态设置，不勾选重力

四、设置计算模型  

4.1 湍流模型设置  

不打开能量方程

湍流方程选择k-omega-SST模型，与其他双方程模型相比，如k-e模型，k-omega-SST湍流模型对于叶轮机械中的流动分离模拟更加准确

4.2 设置water材料属性  

在材料设置界面，双击air，打开材料设置界面。点击Fluent Database

在Fluent Fluid Material栏下滑到最下面，找到water-liquid，点击下面的copy，即将液体water复制到材料中

五、计算域条件设置  

本案例有两个计算域，分布为impeller叶轮和volute蜗壳

5.1 impeller设置  

双击impeller，弹出如下界面

Material Name选择water-liquid

勾选Frame Motion

Rotational Velocity下的Speed (rpm)设置为1450

Rotation-Axis Direction设置z轴为1

单击apply

注：Frame Motion和Mesh Motion的适用性

Frame Motion用于在相对于固定坐标系定义流体运动时使用。当流体的运动简单且可以由几个参数定义时。例如，如果想模拟绕旋转圆柱的流动，可以使用Frame Motion。    

Mesh Motion用于在相对于网格定义流体运动时使用。当流体的运动复杂且不能由几个参数定义时。例如，如果想模拟发动机中活塞周围的流动，可以使用Mesh Motion。    

简单来说，Frame Motion是坐标系动，Mesh Motion是网格动，复杂性Frame Motion<Mesh Motion<yynamic mesh  

5.2 volute设置  

双击volute，弹出如下界面

Material Name 选择water-liquid

其他的保持默认即可

六、边界条件设置  

本案例的边界很多，但是对于internal和interface这里边界基本不需要设置，只需要对inlet和wall边界进行设置即可

6.1 wall边界设置  

impeller-hub为叶轮轮毂，因此会随着叶轮一起运动，其相对于叶轮间的流体可认为是静止的。

inblok-shroud为入口的壁面，相对于绝对坐标系是静止的。

对impeller-hub边界进行设置，双击impeller-hub

Wall Motion栏选择Moving Wall，Motion栏选择Relative to Adjacent Cell Zone，下面勾选Rotational。其他的保持默认。

解释一下：

Wall Motion栏选择Moving Wall表示impeller-hub是移动壁面，不是固定不动的；    

Motion栏是对这个移动壁面的运动进行具体的设置。    

选择Relative to Adjacent Cell Zone，表示下面的运动设置都是相对于相邻计算域的.    

举个例子，比如下面设置选择Rotational，设置速度speed为100，表示的并不是impeller-hub旋转速度是100r/min，而是相对于相邻计算域（impeller是1450r/min），旋转速度是100r/min，即1550r/min    

勾选Rotational，表示运动是旋转运动，因此需要设置旋转轴的坐标和方向。    

由于impeller-hub相对于impeller是静止的，因此Speed设置速度是0。  

对inblock-shroud边界进行设置，双击inblock-shroud

Wall Motion栏选择Moving Wall，Motion栏选择Absolute，下面勾选Rotational。其他的保持默认。

由于inblock-shroud相对于绝对参考系是静止的，因此Speed设置速度是0。

这里Wall Motion设置为Stationary Wall即固定壁面也是可以的，上述设置只是为演示需要。

6.2 inlet设置  

inlet边界条件设置为压力入口

将Supersonic/Initial Gauge Pressure设置为-100pa。这个压力只是初始化压力，对计算结果无影响。参考文章五十二、Fluent瞬态可压缩流动  

6.3 outlet设置  

设置mass-flow-outlet-11为质量流量出口。Fluent默认

mass-flow-outlet-11为质量流量入口，需要进行更改

双击mass-flow-outlet-11，设置Mass Flow Rate为90

七、 Turbo Model涡轮模型  

打开Turbo Model涡轮模型，

Domain-Turbo Model-Enable

创建turbo interfaces.

Domain → Turbo Model → Turbo Create...  

Mesh Interface：输入nps

Interface Zones Side 1：选择 interface-impeller-outlet

Interface Zones Side 2：选择interface-volute-outlet

Interface Options：勾选General Turbo Interface

General Turbo Interface：选择No Pitch-Scale

八、求解设置  

8.1 求解方法  

Spatial Discretization-Gradient 选择Green-Gauss Node Based

勾选High Order Term Relaxation

勾选Pseudo Transient，参考文章四十三、Fluent增强收敛性-伪瞬态计算  

8.2 求解控制  

Solution-Solution Controls  

保持默认即可

九、监测物理量  

9.1 监测蜗壳出口的总压力  

Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Mass-Weighted Average...  

双击Reports Definitions，弹出下图窗口

依次点击New，Surface Report，Mass-Weighted Average可弹出下图窗口。

name：输入p-out

Field Variable：选择Pressure...和Total Pressure

Surfaces：选择Outlet下的mass-flow-outlet-11

勾选Report-Plot，在Fluent会显示曲线图

检测mass-flow-outlet-11面的总压力，以质量平均方式计算出口平均总压力。

9.2 检测入口总压  

Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Mass-Weighted Average...  

重复8.1的步骤，直到弹出下图

name：输入p-in

Field Variable：选择Pressure...和Total Pressure

Surfaces：选择inlet下的inlet

勾选Report-Plot，在Fluent会显示曲线图

检测inlet面的总压力，以质量平均方式计算入口平均总压力。

9.3 叶片blade检测  

Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Integral...  

双击Reports Definitions，弹出下图窗口

依次点击New，Surface Report，Integral可弹出下图窗口

name：输入p-blade

Field Variable：选择Pressure...和Static Pressure

Surfaces：选择wall下的blade

勾选Report-Plot，在Fluent会显示曲线图

检测blade面的静压力，对blade进行静压力积分计算。

9.4 创建泵头表达式  

Solution → Reports → Definitions → New → Expression...  

双击Reports Definitions，弹出下图窗口

单击Expression，输入公式

name：输入head

公式栏输入：({p-out} - {p-in}) / (998.2[kg/m^3] * 9.81[m/s^2])

其中的998.2为水的密度，9.81为重力加速度，这里是计算压力差产生的泵压头。

勾选Report Plot，表示在图形界面显示曲线图

勾选Print to Console，表示在控制台输出值

十、初始化  

混合初始化

单击More Settings...，对混合初始化进行高级设置。

勾选Absolute

用于设置初始速度是绝对速度（absolute）还是相对速度。只有当问题涉及移动参照系moving reference frames或者sliding meshes网格时，此选择才有意义。如果没有，则这两个选项是等效的。  

勾选Use Specified Initial Pressure on Inlets

正常混合初始化是无法设置初始物理场的，勾选此选项，表示使用inlet压力作为初始化压力。  

回到混合初始化界面，单击initialize

十一、计算设置  

Number of Iterations设置为500，

Timescale Factor设置为10，这是伪瞬态设置，可参考文章四十三、Fluent增强收敛性-伪瞬态计算  

单击 Calculate

十二、后处理  

12.1泵产生的水头  

12.2 出口总压和压头曲线  

12.3 速度云图

12.4 压力云图