CFD中的旋转流动分析

摘要

工程师在设计带有旋转零部件的设备时，如果希望提高设备性能，则需要分析和了解这些零部件的特性。计算流体力学(CFD) 是一种研究带有旋转零部件的完美工具。它有助于排除对昂贵物理样机的需求，并能在设计过程初期尽早发现严

重的设计缺陷。本文将介绍这样一款 CFD 工具的使用，它就是 SolidWorks® Flow Simulation。SolidWorks 软件同时采用

单旋转坐标系法和多旋转坐标系法来解决流体运动问题。

简介

计算流体力学 (CFD) 是一种可以准确地研究旋转零部件的优秀工具。仔细观察泵、台扇、用于电子冷却的轴流风扇，以及吹风机这些各式机器，就会发现它们都含有旋转零部件。

工程师在设计带有旋转零部件的设备时，如果希望提高设备性能，则需要分析和了解这些零部件的特性。例如，如果台扇的风叶形状不合理或者安装方向 不对，则风扇产生的风力可能很小或根本没风。

图 1：此泵装配体是用 SolidWorks 设计的模型，它能很好地说明如何将

SolidWorks Flow Simulation

用于分析旋转零部件。

CFD （计算流体力学）可帮助工程师研究许多与旋转零部件特性有关的问题。它提供了一种能节省大量时间和金钱的方式来获取必要的信息，并且帮助工 程师设计出优质的旋转设备。

运用 CFD 可以排除对昂贵物理样机的需求，并能在设计过程初期尽早发现严重的设计缺陷。本文从一些 CFD 基础知识入手，简要地向工程师介绍了 CFD 如何模拟旋转流体，然后深入介绍了 SolidWorks Flow Simulation 用户解决典型问题的过程。

有多种不同方法可用来研究旋转设备，以及旋转设备周围的流体。在大多数旋转机械流体分析中，工程师都采用稳态方式来建立流体模型。“稳态”一词表示求解不随时间的变化而变化。

图 2：SolidWorks Flow Simulation 使用基于向导的界面设置流体分析。用户可选择配置

和单位系统。运用 CFD 可以排除对昂贵物理样机的需求，并能在设计过程初期尽早发现严重的设 计缺陷。在大多数旋转机械流体分析中，工程师都采用稳态方式来建立流体模型。“稳态”一词表示求解不随时间的变化而变化。

有一种非常简单的方法叫作“单旋转坐标系”，该方法假设整个流体域都随着转子或叶轮旋转，可用于研究叶轮片周围的流体。但由于这种方法没有考虑泵壳对流体的影响，因此不足以用来分析整个泵系统。

若要研究完整的流体样式，并了解固定泵壳、挡板和其他内部零件的影响，

用户需要运用更全面的方法，如多旋转坐标系法或动网格法。常用的多旋转坐标系法也是一种稳态方法，工程师运用该方法指定不旋转零部件（称为定子）每分钟转数 (RPM) 为零，而指定旋转零部件（称为转子）每分钟转数为固定值。利用此方法，用户可以考虑运用多个 RMP 各不相同的转子。

动网格法是一种瞬态方法，对需要时间精确的求解来计算不稳定流场的流体运动问题很有用。它需要大量的时间步长才能实现瞬态求解，这个过程不仅费时，而且要求计算准确，对于桌面计算机而言可能不太实际。

SolidWorks Flow Simulation 同时采用单旋转坐标系法和多旋转坐标系法来解决流体运动问题。总体来说，该程序利用了与 SolidWorks 装配体配置相耦合、基于配置的流体分析，提供了各种各样的假设情形。每种流体研究都可以创建新配置或链接到现有 SolidWorks 配置。该软件的目的在于解决旋转设备可能存在的大多数问题，以及快速地解决这些问题。考虑到速度问题，SolidWorks Flow Simulation

没有使用瞬态方法。

图 3：此截面图解表示的是速度矢量，是用户按照设置向导执行多个步骤后运用

SolidWorks Flow Simulation 创建的。

为了表示分析边界，SolidWorks Flow Simulation 自动使用 SolidWorks 几何体创建了流体体积，并通过在模型上绘制方框直观地表示该体积。与许多其他必须简化 MCAD 模型，再手动创建流体体积的 CFD 程序相比，这一完全自动步骤为工程师节省了相当多的时间。为了表示分析边界，SolidWorks Flow Simulation 自动使用 SolidWorks 几何体创建了流体体积，并通过在模型上绘制方框直观地表示该体积。

例如，当分析图 1（上面）所示泵的泵头或容积流量时，如果叶轮的转速为 2,000 rpm ，则用户会使用 SolidWorks 中的泵装配体模型（通过 SolidWorks 中的菜单标题访问 SolidWorks Flow Simulation 即可），并按照以下步骤操作：• 用户从 SolidWorks Flow Simulation 菜单中选择“设置向导”后，首先选择要用于分析的配置及所需业务系统（上面的图 2）。

• 当向导显示内部流体分析或外部流体分析选择时，工程师可以有多种选择。如果是泵，则选择内部流体分析，而不是外部流体分析，然后激活“流体 运动”。由于此分析研究的流体行为不仅包括叶轮周围，还包括泵壳内部， 所以用户需要使用多旋转坐标系法，并且在启动该方法时选择局部流场而不 是全局流场。如果工程师需要考虑热传导问题，只需打开表明“实体中的热 传导”的旗标即可。

• 接着，工程师选择工作流体，在这个设计中为水。程序提供了一个由数种供选择的常用液体和气体构成的库，工程师也可以用自己经常分析的流体创建库。• 设置向导的最后一步是，用户在介于 1 到 8 的等级之间选择自己希望的结果精度。等级越高，网格就越精细，结果也就越准确。

• 然后，用户使用 SolidWorks Flow Simulation 中的对话框来指定旋转区域的转速。如上所述，在这个设计中的速度为 2,000 rpm 。工程师提供将泵管壁指定为定子的边界条件，并在出口处应用环境压力边界条件。

图 4：在计算运行后，即可以 Excel

格式输出流体分析目标（泵头、容积流量比、泵效率）。程序会启用基于目标的分析，因此在运行分析之前，用户应选择自己的目标，在这个设计中可能包括进口与出口之间的压差（以确定水头）、进口处的容积流量比（以确定体积比）以及叶轮的扭矩（以确定泵效率）。

SolidWorks Flow Simulation 会自动为求解创建网格和迭代。分析将提供泵在转速为 2,000 rpm 时产生的水头和容积流量比的相关信息，并确定泵的效率。根据该信息和预期的泵使用者的需求，用户可以根据需要展开多次假设情形 研究、分析这些研究、重新设计叶轮片，并选择最优秀的叶轮设计以实现最 大效率。程序会启用基于目标的分析，因此在运行分析之前，用户应选择自己的目标。