Fluent离心泵旋转流场的模拟与优化

1. 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。

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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。

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

7. 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

8. 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

8.2 求解控制

Solution-Solution Controls

保持默认即可

9.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

10. 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

11. 计算设置

Number of Iterations设置为500，

Timescale Factor设置为10，这是伪瞬态设置

单击 Calculate

12. 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

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