FLUENT水泵特性曲线模拟与计算

1 前言

CFD技术用于旋转机械如水泵的仿真设计已是家常便饭的事，其中多参考系模型（MRF）的运用最为普遍，其处理方法至少需要将整个计算域模型区分为旋转区域和静止区域，它们之间采用interface边界，两者的网格可以不一致，通过interface传递数据。今天，我们也采用MRF做一个水泵模拟，该水泵的尺寸为笔者瞎想的，但是不影响真实水泵的模拟方法操作。

2 建模与网格

建立如下三维水泵模型，包括转子区域、蜗壳区域和入口管道区域。三个区域各自划分网格，然后在FLUENT进行装配，网格节点数约为146万，最小正交质量0.2。水泵的建模和网格划分，采用文字形式很难描述清楚，读者朋友可以从网上寻找很多教程，如果有需要笔者也可以尝试录制一个视频（视大家后台留言情况吧，采用solidworks建模，fluent meshing模块划分多面体网格），向大家分享一下笔者的方法，当然可能笔者的方法不是最好的。

3 求解设置

采用标准k-e湍流模型。

拷贝fluent自带的水为计算域介质。

修改旋转速度单位为rpm。

修改转子区域的旋转边界，需要注意旋转轴位置和方向需要和模型保持一致，在建模时可以考虑将旋转轴放在零点位置，省事。

入口为速度入口边界。

出口为自由出流边界，也可以是压力边界，优先考虑前者。

叶轮壁面设置为旋转运动壁面边界，由于和流体一起运动，因此设置相对速度为0。

创建interface边界，每个interface需要一对面。

设置计算方法和亚松驰因子，对于旋转机械问题，可能需要多种尝试才可以找到收敛性好的，前提是网格质量需要尽可能好，比如本案例笔者一开始的最小正交质量小于0.1，尝试各种设置都很难收敛，经过fluent网格质量提升操作后最小正交质量为0.2，方获得好的收敛性。

另外，强烈建议读者设置几个监视器监视转子扭矩和泵进出口压力，因为这三个结果直径影响水泵特性的模拟准确性，因此为减小数值误差，通过监视器和计算残差共同来判断收敛性。

从入口初始化，稳态求解。

4 计算结果

首先，我们看一下其中一个流量下的计算收敛性，泵进出口总压、转子扭矩监视结果如下，可以看出迭代至1000步左右基本达到了收敛结果。

其次，我们看一下某个流量下的静压和全压分布，可以看出转子中心区域的压力显著低于四周，这符合泵的实际情况。

然后，我们看一下泵内水的速度矢量，入口的水进入转子中心，在叶轮旋转离心力作用下向四周运动沿着蜗壳流出泵体。

最后，我们看一下泵的特性曲线模拟结果，当流量为64.6m³/h时效率最高，为68.4%，此时轴功率为2.4kW。该曲线是用上海义维流体科技有限公司开发的水泵特性曲线软件绘制的。

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