Fluent 14.5案例教程：离心泵内部流场数值模拟

一、描述  

随着科学技术的进步，许多领域对水泵要求越来越高。传统的设计方法已无法满足快节奏、高要求的现代社会。随着计算流体力学（CFD）技术的发展，为水泵设计也带来了更好的研究方法。应用CFD技术，通过计算机对水泵内部流场进行虚拟试验，可以快速获得外特性曲线，并且能够更好的在设计阶段预测泵内部流动所产生的漩涡、二次流、边界分离、喘振、汽蚀等不良现象，通过改进以提高产品可靠性。  

本教程采用IS80-65-125型水泵的水力模型，通过具体步骤希望广大同行能快速掌握运用Fluent对水泵进行CFD模拟的步骤方法。

二、建模    

采用Creo 2.0 M020（Peo/Engineer）进行建模。本次教程不考虑叶轮前后盖板与泵腔间的液体（事实证明对实际结果有一定影响，为了教程方便因此不予考虑，大家可以在实际工作中加入对前后腔体液体），建模只考虑进口管部分、叶轮旋转区域部分、蜗壳部分。对于出口管，可以根据模型的特征进行判别，本次模拟是由于出口管路对实际模拟结果影响很小，不存在尺寸急变等特征，因此去掉了出口管段，以减少网格数量。建模如图所示：

图1 建立流道模型

三、网格划分

建模完成后，导出*.x_t（或其他格式）格式，导入网格划分软件中进行网格划分。网格划分软件有很多，各有各的优势，主要采用自己熟练的一种即可。本次教程采用ICEM进行网格划分。进口段为直锥型结构，采用六面体网格。叶轮和蜗壳部分采用四面体非结构网格（也可以采用六面体网格，划分起来比较麻烦）。对于工程应用，可以采用不划分边界层网格，划分边界层网格比较费时间，生成的网格数量也很高，但是从模拟的外特性曲线来看，差别不是很大，但是对于研究边界层流动对性能的影响，就必须划分边界层，对于采用有些壁面条件，也必须划分边界层（该部分查看其它教程）。划分的网格情况如图所示：

  图2 进口段网格


  图3 蜗壳部分网格


  图4 叶轮区域网格


  图5 整体网格装配

四、Fluent设置，并进行计算

1、启动并设置Fluent  

双击Fluent 14.5图标，弹出如图界面，进行求解器设置和计算精度。一般对于三维模拟，需要首先选择①三维模式，精度可以选取为②双精度，也可以不选双精度，双精度比单精度计算精度要高，但是时间要长。

选择③并行模式可以加快计算速度，减少网格占用的内存量。在设置界面还可以设置启动后界面显示，Workbench Color Window为背景显示模式，勾选后Fluent 14.5启动后显示网格的图形界面为Workbench的默认背景（蓝色），如果不选则为黑色背景。

背景可以再Fluent启动后设置。Display Mesh After Reading为读入网格后是否显示网格，勾选后，读入网格后默认状态为显示网格，不勾选则不显示。展开Show Fewer Options按钮，可以或多更多的设置，如工作目录等。

  图5 启动Fluent14.5

2、导入网格  

导入网格可以通过下拉菜单【File】→【Read】→【Mesh...】或者直接在Fluent14.5界面下的“Read a file”

下拉按钮下进行读入网格。如果启动Fluent后设置为默认显示网格，则读入网格后会在图形面板显示网格，如果没有设置，可以点击左边【General】按钮，在General选项卡中点击【Display】，并选取需要显示的网格，并点【Display】进行显示。

  图6 读入网格方法1


  图7 读入网格方法2


  图8 导入并显示网格

3、缩放网格

Fluent启动后默认长度单位为m，有些模型在进行网格划分时默认的单位长度是mm，所以必须进行网格缩放。

在General选项卡中点击【Scale...】按钮，弹出缩放对话框。如图所示：

  图9 单击【Scale...】按钮  

先更改①为mm，查看Domain Extents中X、Y、Z中显示的边界是否与模型合适，如果相差的数量级是1000，则更改②为mm，并点击③Scale按钮进行网格尺度缩放。所过相差为0.001，则选择Unscale按钮。

  图10 网格缩放

4、光顺网格

如果在网格划分软件中划分的网格质量相当该，可以忽略此步。选择下拉菜单【Mesh】→【Smooth/Swap】，弹出网格光顺对话框，设置合适的值，并进行光顺。

  图11 网格光顺

5、转速单位设定

Fluent默认的角速度单位为rad/s，我国一般采用r/min，如果转速为r/min则在General选项卡中点击【Units..】按钮进行设置，设置角速度单位为rpm（r/min），如图所示：

  图12 设置转速单位

6、设置运行环境（重力场）

在General选项卡中，勾选Gravity可选对话框，进行重力加速度设置。如图所示：

图13 设置重力

7、求解器设置

在General选项卡中设置求解器。本次教程采用定常模拟，因此设置为稳态、单元压力梯度、绝对速度。如图9所示

8、设置计算模型

点击①Models按钮，弹出Viscous Model设置对话框。选择②k-epsilon选项并进入k-ε设置。本教程采用③标准k-ε模型，④标准壁面函数。如图所示：

  图 14 设置计算模型

9、定义材料

Fluent默认流体材料只有air（空气），因此需要添加清水或其他流体。

点击①Materials按钮，在Materials选项卡中单击②【Create/Edit...】按钮，弹出创建/编辑材质对话框，单击③【Fluent Database...】按钮弹出Fluent材质数据库对话框，在④Fluent Fluid Materials中找到water-liquid(h2o<l>)，并单击⑤【Copy】按钮完成对清水的添加。如图所示：

  图15 定义材料

注意：如果对水有特殊的要求，还可以在在Create/Edit Materials对话框中对水进行物理状态设置。

10、定义流体域

在泵中，存在多参考坐标系，即蜗壳和进出口部分为静止区域，叶轮为旋转区域，因此需要对叶轮区域进行特别设置，即MRF模型。点击Cell Zone Conditions，在Cell Zone Conditions选项卡中可以看到三个流体域，即所设想的进口段、叶轮旋转区域、蜗壳区域。

图16 定义流体域

双击叶轮区域（这里我为其命名为domain-impeller），或者单击叶轮区域，单击【Edit...】按钮，弹出Fluid设置对话框。

注意：必须要注意Type下面的类型，有时候我们网格导入后并不一定为fluid，可能是solid，如果是solid固体，需要将其转换为fluid。

在下拉框①中设置材质名称为water-liquid，勾选Frame motion，出现旋转区设置。在②中设置转速，IS80-65-125转速为2950rpm，③中设置旋转轴，根据模型创建时的方向，设置旋转轴为X轴（根据右手定则判断，反方向为-1，正方向为+1）。如图所示：

  图17 定义叶轮旋转区域

设置进口段、蜗壳区域。过程略，同叶轮区域。区别是没有Frame Motion选项，为静止区域。如图所示：

  图18 定义进口段流体


  图19 定义蜗壳区域流体

11、进、出口设置边界条件

点击①Boundary Conditions按钮，在Boundary Conditions选项卡中选择进口（这里我为其命名为inlet），并在Type类型里选择合适的类型（这里我选择的是质量流量进口mass flow-inlet），选择【Edit】按钮，弹出MassFlow Inlet设置对话框在伞中设置合适的值、参数，其余可保持默认，也可以在Turbulence中设置合理的初始值，可有利于提高计算精度。注意这里的湍动能和湍流耗散率是估算的，估算方法请参阅相关资料。如图所示：

  图20 设置进出口边界条件  

12、旋转壁面设置

旋转壁面主要是叶轮上的壁面。这里我将旋转面分为了两部分，分别是叶片部分和叶轮盖板部分。设置为移动壁面。相对于流体单元区域旋转、无滑移壁面。设置如图所示：

图21 设置叶片壁面条件


  图22 设置叶轮前后面壁面条件  

壁面边界条件在模拟的时候，如果要考虑壁面的粗糙度，还要填写Wall Roughness中的Roughness Height参数。该值对模拟出的扬程、扭矩都有一定的影响。Roughness Constant可以保持默认（对结果也有影响）。蜗壳、进出口段的壁面粗糙度设置类似，后面不再赘述。

13、设置进口壁面、蜗壳壁面边界条件  

对于如进口、蜗壳等静止区域的壁面边界条件，可以保持默认状态，也可以进如Wall设置对话框。相对于12步骤旋转壁面设置，在②中设置Wall Motion 为Stationary Wall、NoSlip即可（或者加上考虑粗糙度）。

14、设置交界面

点击①Mesh Interfaces，在Mesh Interfaces选项卡中单击②【Create/Edit...】按钮弹出对话框，在③中设置交界面名称并在Interface Zone 1和Interface Zone 2中选择交界面。如图所示：

  图23 设置交界面

注意：在Fluent14.5版本中交界面是可以多选的，但不能重复。这里的交界面只有两对，设置比较简单。如果交界面设立的比较多，可以考虑采用命令行进行设置。设置方法如下： define mesh-interfaces create impeller-inletpipe interface-impeller-inletpipe （回车） interface-inletpipe-impeller （回车） （回车） （回车） （回车） create impeller_shell interface-impeller-shell （回车） interface-shell-impeller （回车） （回车） （回车） （回车） create . . quit quit （回车） 命令可以参考Fluent帮助文档或相关书籍。

15、检查网格

之所以把检查网格放在设置交界面之后，是因为在Fluent 14.5版本中，如果有交界面的存在，没有设置的话会出现警告提示。设置完交界面后就没有提示了。此步最好在一开始就检查，壁面前面不必要的过程。检查网格在General选项卡中点击【Check】按钮即可。检测通过标准为最小体积为正值。当然在高版本中可以忽略此步，因为在导入网格的时候如果存在负体积网格Fluent会给出错误提示。当然，我们在网格划分的时候只要仔细点就不会出现负体积网格。

16、设置求解方法

点击①Solution Methods，在Solution Methods选项卡中进行相关设置。在②中可以选择SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled算法。相关研究指出，对于离心泵定常模拟，SIMPLEC、SIMPLE算法更接近实验值，当然你也可以都算一遍，并总结出自己的规律。在③中设置曲线变化率、压力耦合算法、迎风格式（二阶迎风格式对于非结构网格具有更高的精度，相关资料请参阅Fluent相关书籍）等。如图所示：

  图24 设置求解方法

16、求解控制

在Solution Control选项卡中设置欠松弛因子，以改变收敛速度，一般此处不用修改，除非收敛困难时可以以修改。欠松弛因子的大小设置是有区别的，请参阅相关手册。如图所示：

  图25 求解控制

17、监视残差

具体设置步骤如图所示，其中④【Plot】按钮可以在计算获得结果后任何时候查看曲线。

  图26 设置残差

18、创建检测点

与17步同一个选项卡下，在Surface中单击②创建按钮进行设置。本次我们关心出口总压的变化，因此对出口进行监测。对出口压力的监测，可以大体判断是否收敛。当残差计算到一定精度时，观察出口压力不再变化，并查看进出口流率是否相等即可判断收敛。

  图27 创建出口总压检测

19、初始化  

本次教程初始化选择Inlet作为初始化条件。

  图27 初始化

20、计算

设置最大计算步，并开始计算。如图所示：

  图28 开始计算

21、计算完成并查看残差曲线

计算至592步计算收敛（收敛条件为1×10^-3）。查看残差曲线。

图29 计算完成并查看残差曲线

上述过程仅仅对一个点进行模拟，如果想获得不同工况下的内部流态和性能曲线，需要对进口边界条件进行不同工况的设置计算即可。

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