基于CFD的离心泵内部流场数值模拟
基于CFX的离心泵内部流场三维数值模拟
文章编号：1006-8139（2013）02-001-04基于 CFX 的离心泵内部流场三维数值模拟彦 1，2 吴建华 1麻 （1.太原理工大学水利科学与工程学院 山西太原 030024；2.山西水利职业技术学院 山西太原 030027）摘 要：基于三维不可压缩流体的 Ｎ-Ｓ 方程和标准 k -ε 湍流模型，采用隐式修正 SIMPLE 算法，利用 CFX 软 件，对离心泵装置进行全流场三维数值模拟，共计算额定转速下 30～80 m 3/h 流量范围内 8 个工况点。
对比分析小流量 工况、设计工况和大流量工况下泵装置流态和压力分布，并分析叶片表面静压，揭示内部流动规律，所得结果对预测水力 性能，提高水泵效率及进一步结构优化具有重要的参考价值。
关键词：离心泵；叶片；内流场；数值模拟；CFX中图分类号：TV131 文献标识码：AThree-Dimensional Numerical Simulation of Internal Flow Field in Centrifugal Pump Based on CFXMA Yan ，WU Ji an-huaAbstract: Base d on thr ee -dimension N -S equations and the standard k -ε Turbulence model, adopting SIMPLE algor i thm, thi s paper simulates the whole flow domain in Pum p System by using CFX. The flow regime and the distribution of pressure in the pump are i nvestigated contrastively under these conditions: the small flow r ate condition, the design condition and the flow big rate condition based on the calculat i on of different operating conditions with the flow rates ran ge 30～80 m 3/h at the rated rotating speed, and analyz i ng blade pressure to find out the law of the inner flow of the centr i fugal pump. The result provides theoretical foundat i on for forecasting hydraulic performance and optim i zing centr i fugal pump structur e.key words: centr i fugal pump ；blade ；i nternal flow fi eld ；numer i cal simulation ；CFX离心泵因其流量小、扬程高、安装检修方便等特点在工、农业生产中有着广泛应用。
基于Fluent 14.5离心泵内部流场数值模拟教程
基于Fluent 14.5离心泵内部流场数值模拟教程内容摘要：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，...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）。
毕业设计(论文)-基于PROE离心泵叶轮三维建模及流场数值模拟分析模板
摘要本文将曲面造型与数值计算有机的结合在一起应用到离心泵叶轮的设计中。
采用二维造型得到计算区域，通过对离心泵叶轮内部流场的数值计算与分析，得到较好的离心泵叶轮。
本文主要对离心泵叶轮的计算公式进行研究，并对离心泵叶轮的尺寸进行计算。
建立了一个叶轮轴面投影图，为叶轮的绘型做准备。
选择一种适合的绘型方法，完成离心泵叶轮的绘型。
最后再利用PRO/E软件建立离心泵叶轮的三维实体模型,即完成了在PRO/E中的三维建模。
为了方便流场数值的模拟分析，使用Gambit软件对所得的三维模型进行划分网格，运用fluent软件做出边界条件并计算，再使用fluent软件对所设计的离心泵叶轮内三维流场进行了数值模拟，并对计算结果进行了分析。
而后采用基于标准k一e湍流模型来求解，在非结构化网格中，采用基于有限元的有限体积法对方程进行离散，用压力校正法进行数值求解。
利用湍流模拟结果，分析了离心泵叶轮进口边位置对泵性能的影响。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。
本文结合实例和经验，通过对离心泵叶轮CFD计算结果的分析，说明所设计的叶轮是成功的。
关键词：离心泵叶轮；PRO/E；三维建模；数值模拟；计算流体动力学（CFD）Title Based on PRO / E centrifugal impeller three-dimensional modeling and numerical simulationAbstractThis article will surface modeling and numerical computation applied to the organic combination of centrifugal pump design. Be calculated using two-dimensional modeling area, through the centrifugal pump impeller Numerical calculation and analysis, get a better pump impeller.In this paper, the formula for centrifugal pump impeller to study, and calculated the size of centrifugal pump impeller. The establishment of a leaf axle plane projection, the drawing of the impeller to prepare. Select the drawing of a suitable method to complete the drawing of centrifugal pump impeller. Finally, using PRO / E software to establish the three-dimensional solid model centrifugal pump impeller, which was completed in PRO / E in the three-dimensional modeling.In order to facilitate numerical simulation analysis,the use of proceeds Gambit software mesh three-dimensional model,using fluent software to make the boundary conditions anf calculate,and then use software designed for fluent centrifugal pump impeller flow field is numerically simulation and calculation results are analyzed. Then based on the standard k a e turbulence model to solve, in the unstructured grid, finite element based finite volume method to discretize the equations using the numerical solution of the pressure correction method. Turbulence simulation using the results of analysis of a centrifugal pump impeller inlet side of the pump performance of the location. As a result of a variety of multi-grid solution method and the accelerating convergence technology, which can achieve the best fluent convergence speed and solution accuracy.In this paper, examples and experience, through the centrifugal pump impeller CFD analysis results, indicating that the impeller is successful. Keywords: centrifugal pump impeller; PRO / E; three-dimensional modeling; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD)目录基于PRO/E离心泵叶轮三维建模及流场数值模拟分析第一章绪论1.1论文研究的背景：泵广泛应用于国民经济的各个部门，它的技术性能对各相关行业影响巨大，长期以来采用“手工设计一样机生产一样机测试一设计修改”的生产路线，其不仅研制开发费用高，而且周期很长。
cfx数值模拟教程kobesu
基于CFX的离心泵内部流场数值模拟基于CFX的离心泵内部流场数值模拟随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX使用的基本过程加以整理供初学者参考。
如有不对之处敬请指教。
一、CFX数值计算的完整流程二、基于ICEM CFD的离心泵网格划分导入几何模型修整模型创建实体创建PRAT设置全局参数划分网格检查网格质量并光顺网格导出网格－选择求解器导出网格三、CFX-Pre 设置过程基本步骤新建文件导入网格定义模拟类型创建计算域指定边界条件建立交界面定义求解控制定义输出控制写求解器输入文件定义运行计算过程四、CFX-Post后处理计算泵的扬程和效率云图矢量图流线图导入几何模型在ICEM CFD软件界面内，单击File→Imort Geometry→STEP/IGES（一般将离心泵装配文件保存成STEP格式），将离心泵造型导入ICEM，如图3所示。
图3 导入几何模型界面修整模型单击Geometry→Repair Geometry→Build Topology，设置Tolerence，然后单击Apply，如图4所示。
拓扑分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：green = 自由边，yellow = 单边，red = 双边，blue =多边，线条颜色显示的开/关Model tree →Geometry → Curves → Color by count，Red curves 表示面之间的间隙在容差之内, 这是需要的物理模型，Yellow edges 通常是一些需要修补的几何。
图4 修整模型界面2-3 创建实体单击Geometry→Creade Body，详细过程如图5所示。
图5 创建实体界面创建PRAT创建PART，是为了设置边界时使用，在模型树中，右键点击Part，在出现菜单中选择Create Part。
以此创建各个部件的part，如图6所示。
离心泵内流场的三维数值模拟及流动分析
产生交割，且全位错也易开始起动，使合金发生塑性变 弹性协作进行，减小了形状回复的阻力；同时相间习性能
形，并且 ε马氏体交叉现象随预应变增大而愈加严重，限 提供逆转变驱动力，有利于 Ｓｈｏｃｋｌｅｙ 不全位错的逆运动，
制了 ε马氏体层错在回复退火时产生收缩，相当于减少 提高了合金的形状记忆效应。
了能够发生层错收缩的 ε马氏体相对数量。不同位向的 ５ 结 论
（ １）在叶轮旋转过程中，各流道的流动随它在叶轮中 相对位置的不同而不同。压力和速度分布具有明显的轴 不对称性。
收稿日期：２００６－ １１－ ０９
机械工程师 ２００７ 年第 １ 期 ４９
Ｒ 研究探讨 ＲＥＳ ＥＡＲＣＨ ＆ ＤＩＳ ＣＵＳ Ｓ ＩＯＮ
的报道。而离心泵内过流部件的几何形状伴有强烈的弯 曲和扭曲，其内部流动是复杂的三维流动。只对过流各部 件单独分析，没有考虑过流部件间的匹配关系，ＣＦＤ 分析 结果必然与实际流动存在较大差别，也无法了解离心泵 内部流动的三维特性。随着计算流体力学和相应计算软 件的发展，水泵的全三维数值模拟已经成为可能，但一般 仅局限于在叶轮流道内计算，同时将叶轮、进水室和蜗壳 作为模拟对象的还不多见。本文借助 ＦＬＵＥＮ（Ｔ ＣＦＤ）软 件平台，采用 Ｎ－ Ｓ 方程配合标准 ｋ－ ! 湍流模型对水泵内 流场进行了三维数值模拟。通过对内流场的模拟，得出了 一些有价值的水泵性能信息。 ２ 建模与计算方法
数的增加，晶体缺陷密度随之增加，这些晶体缺陷可以作 但训练次数达到一定值时，回复率呈现下降趋势。
为 ε马氏体核胚，使合金在预变形时以应力诱发马氏体 相变为变形的主要机制。
另外，随着训练次数的增加，拉压应力使马氏体的厚 度逐渐减小，促进了周围基体的弹性协调，对马氏体相的 可逆性有益，因而提高了合金的形状记忆效应。
基于CFD的离心泵内部三维流动数值模拟和性能预测_王志坚
从图中可以看出， 叶轮在进口处速度比较低， 但流动比较均匀， 说明叶轮进口处结构设计合理。 叶轮的速度从进 口 到 出 口 逐渐 增加， 在 出 口 处达 到最大值。这 是因 为 随着 叶轮半 径 的 增加， 流体 的线速度 也随着 增加。 隔舌 附 近 的速度分 布 紊 乱， 这是因为隔舌 的 阻 力和 叶轮 带 动 流 体 高速 旋 转所致。螺旋 流 道 大 部 分速度 矢 量 是 均匀 的， 在 出口处流动不稳定 并 出 现 回 流， 这 是因 为 涡壳 出 口压力较高 造 成的。 总 体而 言， 离心 泵 流 动 状 况 ， ， 良好 没有出现明显的二次流 漩涡等不良现象。 图 4 是相对速度 矢 量， 从图可 以 看 出总 体 上 离心泵的相对速度分布比较均匀。在两个叶片之 间的流体中存在着射流 － 尾 迹 流 动， 在 每 个 叶片 吸力面附近， 形成一个低能流体区， 流体相对速度 较小， 形成 尾 迹 区; 而 在 叶轮 压 力面 附 近， 形成 一 个高能 流 动 区， 流 体 相 对速度 较 大， 形成 射 流 区; 吸力面附 近 的速度 要 明 显 高于 压 力面 附 近 的速 度; 在 隔舌 附 近， 流 体 的 相 对速度的 矢 量 分 布 错
图2 离心泵网格划分
2． 2
控制方程
壳内流动( 绝对运动) ， 在两 个 区 域交 界 面 处 交 换 惯性坐标系下的流体参数， 保证交界面的连续性。 边界条件设置如下: ( 1 ) 入 口 边 界 条 件设 置 为 速度 入 口， 指定入
离心泵内部流动属于三维、 粘性、 非定常湍流流 动， 其运动规律符合 Navier － Stokes 方程， 而离心泵
式中
— —流体密度 ρ— u— — —速度 p— — —压力 t— — —时间 x— — —空间坐标 — —动力粘度 μ— S— — —源项 k 方程为: 使用标准 κ － ε 模型使雷诺方程封闭， ( ρk ) ( ρku i ) + t x i μ t k = + G k － ρε + x j μ σ k x j ε 方程为:
基于CFD技术的离心泵出口流态模拟及分析
基于CFD技术的离心泵出口流态模拟及分析韩娜【摘要】以应用较为广泛且低转速比的离心泵作为研究对象,在当前流体力学发展的理论基础之上,根据离心泵的工作流态特征,给出离心泵内部流体与构件间的数学模型,对泵体的工作状态进行模拟分析.同时,通过建立离心泵的三维实体造型,并将其与相适应的 CFD 技术相衔接,进而通过对离心泵过流关键部件网格划分与优化处理,选取合适的湍流模型,进行泵体的出口流态更接近实际的数值模拟,有利于观察泵内出入口的流场、压力等参数的变化情况.该研究对于深入理解其内部流动的机理,改进离心泵的结构组成、叶轮性能及参数优化有一定参考价值,从而达到最终提高泵的水力效能目标,是一种值得推广的分析方法.%Taken the centrifugal pump which is widely used and has a low speed ratio as the study objection,and accord-ing to the working flow characteristics of the centrifugal pump,the mathematical model between the internal fluid and the centrifugal pump components is given on the basis of the theoretical principle of the current fluid mechanics development. Simulation analysis is carried out on the working condition of the centrifugal pump;the 3D solid modeling of the centrifu-gal pump is established and connected with the corresponding CFD technology, then through the key flow components of centrifugal pump meshing and optimization,and selecting the appropriate turbulence model,the outlet flow pattern of the pump body is numerically simulated which is closer to the reality. It is beneficial to observe the flow field, pressure and other parameters of the inlet and outlet of the pump,and summarize the related work characteristics,the research would be providesome reference value for us to further understand the mechanism of the internal fluid,improve the centrifugal pump structure, impeller performance and the parameter optimization, then achieve the goal of improving the hydraulic efficiency of the pump, which is a worth popularizing analysis method.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2018(040)009【总页数】5页(P34-38)【关键词】离心泵;流态特征;湍流模型;数值模拟;叶轮性能【作者】韩娜【作者单位】平顶山工业职业技术学院,河南平顶山 467000【正文语种】中文【中图分类】S275;TH3110 引言在我国，离心泵作为一种通用的工农业提取、转移流体主体机械，被广泛应用于各个领域；加之流体力学近年来不断渗入到流体机械的模拟研究工作当中，对离心泵内部的流场机理详细了解与深入掌握成为业内学者的一个重要研究方向。
基于Fluent的离心泵二维流场数值模拟
基于Fluent的离心泵二维流场数值模拟谭宗柒;叶惠军;李灿灿【摘要】On the method of multiple reference frame (MRF) and using the standard turbulent model, the simulation of two-dimensional flow fields of the internal flow in centrifugal pump is carried out by using the software of Fluent. We draw the velocity distribution and pressure distribution. The results show that the flow, velocity and pressure distribution in the impeller of a centrifugal pump are significantly different and asymmetric. The numerical simulation method can reflect the complex flow in the centrifugal pump and provide a theoretical basis for designing and improving the inner flow of the pump.%使用Fluent软件,结合MRF法模拟了离心泵内流体的二维流动情况,采用标准的湍流模型,得出了离心泵内的速度分布图、速度矢量图、静压力和总压力图,结果表明离心泵叶轮内各通道的流量、流速及压力分布有明显的差异,表现出明显的非对称性,利用数值模拟方法能真实反映泵内部的复杂流动,为泵内流道的设计、改进提供了理论依据.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(033)006【总页数】3页(P54-56)【关键词】离心泵;二维流场;数值模拟;Fluent【作者】谭宗柒;叶惠军;李灿灿【作者单位】三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TH123随着流体力学计算技术的迅速发展，数值模拟开始广泛应用于叶轮设计和流场分析中，而CFD是一种研究流体力学的数值模拟的有效方法.多重坐标系模型（Multiple Refernce Frame，MRF）的基本思想是把离心泵内流场简化为叶轮在某一个位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算.转子区域的网格在计算时保持静止，在惯性坐标系中以科氏力和离心力进行定常计算；而定子区域在惯性坐标系中进行定常计算.在两个子区域的交界面处交换惯性坐标系下的流动参数，保证交界面的连续性［1］.离心泵是一种量大面广的机械设备，被广泛应用于各种水力机械中，包括给水排水及农业工程、工业工程、航空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等.离心泵由于工况变化、结构设计等因素会造成运行时泵内流场的不对称性.1 CFD模型控制方程离心泵的内部流动属于定常不可压粘性流动，其N－S方程为［2］:连续性方程动量守恒方程其中为雷诺应力张量.由于RANS方程组不封闭，故引入k－ε模型来封闭:式中，湍动黏度可以表示为vt＝；湍动能可表示为2 建模及分析使用Fluent软件的前处理程序Gambit分别生成叶轮、蜗壳的流动区域，再对叶轮、蜗壳的流动区域进行网格划分，然后利用Fluent导入.msh文件进行计算［3－6］.某型号离心泵部分参数见表1.表1 某型号离心泵部分参数叶片进口直径／mm叶片出口直径／mm叶片数转速／（r·min－1）140 220 5 12002.1 网格划分叶轮流动区域:“Elements”对应的选项为“Tri”，对应的“Type”选项为“Pave”，相应的“Spacing”为1，共划分50464个网格；蜗壳流动区域:“Elements”对应的选项为“Tri”，对应的“Type”选项为“Pave”，相应的“Spacing”为2，共划分34192个网格.图1 离心泵网格化及局部放大图2.2 计算求解采用压力速度耦合的半隐式求解，选择标准k－ε模型，经过418次迭代后控制方程收敛，得到离心泵模型速度分布图和压力分布图，如图2～5所示.2.3 结果分析水流从垂直于进口的方向以2m／s的速度进入叶轮，经过蜗壳的作用，从出口边流出.计算过程中流体的密度取1.225kg／m3，入口的压力为大气压101.325kPa，流体黏度1.7894×10－5 kg／（m·s）.从图2和图3可以看出，叶轮流道内流场表现出明显的非对称性.其中靠近出口的叶轮通道液流速度约为14.7m／s，明显高于其他叶轮通道；与泵壳壁面距离最近的叶轮通道处的速度约为18m／s，高于相连的与泵壳壁面较远处的速度.总体上，随着叶轮与壁面距离的增大，流速也随之增大.同时，随着叶轮的旋转，叶轮倒叶相对位置的改变，叶轮出口流速也不断发生变化，导致叶轮内部流场表现出不对称、不稳定的状态.从图4和图5可以看出，泵内静压和总压也表现出非对称性.由于叶轮旋转做功，叶轮内的静压随着流动方向逐渐增大.叶轮离泵壳较近的下区域附近，由于液流的动能转换成势能造成泵内静压达到最大，随着沿程的水力损失，静压力逐渐降低.同时，泵内的最大压力并不在出口处，而是在叶轮离泵壳较近的下区域附近，其主要原因是涡壳与水流相接触的壁面采用无滑移壁面条件，这样流体在涡壳壁面附近的速度极小，根据能量守恒定律，此处压力比出口处的大.3 结论本文基于N－S方程和标准k－ε模型，利用Fluent对离心泵的二维流场进行模拟，绘制出了速度分布图、静压分布图、总压分布图.由于泵体结构的非对称性以及叶轮与泵壳间的小空隙，离心泵内压力、速度均表现出明显的非均匀性.从而可以得出，流场的非均匀性会导致泵体受力不平衡，对泵运行的稳定性有很大的不利影响.研究内容对离心泵的优化和改进有一定的指导意义.参考文献:［1］唐辉，何枫.离心泵内流场的数值模拟［J］.水泵技术，2002（3）:3－7. ［2］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004:120－123. ［3］王秀勇.离心泵流动特性的数值分析［D］.杭州:浙江大学，2007.［4］吕培文.基于CFD离心泵数值模拟及性能优化［D］.上海:华东理工大学，2010.［5］李进良，李承曦，胡仁喜，等.精通FLUENT6.3流场分析［M］.北京:化学工业出版社，2009.［6］陈乃祥，吴玉林.离心泵［M］.北京:机械工业出版社，2003.。
基于CFD的离心泵三维内流场的数值模拟
定成果[6-8]。 本文为研究离心泵内部流场的流动规律，应用
Pumplinx 软件，采用雷诺平均 N-S 方程与标准 k-着 湍流 模型，对不同工况下的二级离心泵进行全流场的三维定常 湍 流 数 值 模 拟 ，并对 所 得 到 的 结 果 进 行 分 析 ，为 多 级 离 心 泵的水力性能研究提供一定的参考。
（重庆交通大学，重庆 400074） （Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）
摘要院为了研究离心泵内部流场的流动规律，基于 CFD 技术，应用雷诺时均 N-S 方程与标准 k-着 湍流模型对不同工况下二级离 心泵内部的三维湍流流动进行了数值模拟，并对其内部的流动状态进行了分析，得到了离心泵内部流场的压力分布规律。结果表明： 随着出口流量不断增大，泵的整体压力逐渐减小，各级叶轮的压力逐渐减小，叶轮的速度值逐渐增大。在相同条件下ห้องสมุดไป่ตู้离心泵进口到出 口的压力逐渐增大，各级叶轮中的静压值径向逐渐增大，且次级叶轮的压力值比首级叶轮的压力值大。
Internal Combustion Engine & Parts
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基于 CFD 的离心泵三维内流场的数值模拟
CFD Numerical Simulation of Three-Dimensional Inner Flow Field of Centrifugal Pump
张绒 ZHANG Rong曰彭建锋 PENG Jian-feng曰赵藤 ZHAO Teng曰 张丹 ZHANG Dan曰 李文浩 LI Wen-hao
关键词院离心泵；不同工况；CFD；流场分析 Key words: centrifugal pump；different working conditions；CFD；flow field analysis
离心泵内部流场的数值模拟研究
８８
人 民 长 江
２ ０ １ ３生
的准 确性 。
８Ｉ ３．
（ ３ ）添加 固定 导叶 后 ， 虽 然效 率有所 提 升 ， 但 并不
［ ６ ］ 刘建龙 ， 陶爱忠 ， 孙 建伟 ， 等． Ｃ Ｆ Ｄ在 大 型 潜 水 贯 流 泵 装 置 优 化 设 计 中的 应 用［ Ｊ ］ ． 人民长江， ２ ０ １ ３， ４ ４ （ １ ） ： ６ ４— ６ ８ ． ［ ７ ］ 徐 洁， 谷传刚． 长 短 叶 片 离心 泵 叶 轮 内 部 流 动 的数 值 计 算 ［ Ｊ ］ ． 化 工 学报 ， ２ ０ ０ ４， ５ ５ （ ４ ） ： ５ ４ １ —５ ４ ４ ． ［ ８ ］ 刘文明， 金仲 康 ， 郑 源， 等． 大 型 供 水 泵 站 数 值 模 拟 及 水 力 优 化 ［ Ｊ ］ ． 排 灌 机械 ， ２ ０ ０ ９， ９ （ ５ ） ： ２ ８ １— ２ ８ ６ ． ［ ９ ］ 冯俊 ， 郑源 ， 李玲玉． 超低 水 头 竖 井贯 流 式 水轮 机 三 维 湍 流数 值 模 拟［ Ｊ ］ ． 人民长江， ２ ０ １ ２， ４ ３ （ ２ １ ） ： ８ ５—８ ８ ． ［ １ ０ ］ 王宏伟 ， 刘小兵 ， 曾永忠． 长短 叶 片 混 流 式 水 轮 机 转 轮 的 三 维 几 何建模［ Ｊ ］ ． 水 电 能 源科 学 ， ２ ０ １ ０ ， ２ ８ （ ３ ） ： ｌ ２ １一ｌ ２ ３ ．
中图法分类号 ： Ｔ Ｖ ７ ３ ４
离心泵 是一 种 高扬 程 水 泵 ， 叶轮 和 导 叶 又 是离 心 泵 中重要 的过 流部件 。叶轮将 原动 机 的机械 能直 接传 给液体 ， 以增加 液体 的静 压能 和动 能 ， 而 导 叶是离 心泵 的转 能装 置 ， 它 的作 用 是 将 叶 轮甩 出来 的液 体 收 集起 来， 使 液体 的流速 降低 ， 把部 分 速 度 能 转 变 为压 力 能 ， 其水 力性 能 的提高 对 于提升 离心 泵效率 具 有十分 重 要 的意 义 。近 年来 Ｃ Ｆ Ｄ分 析 技术在 风 机 、 水泵 等 许 多 工业 领 域 得 到 了广 泛 应 用 ， 同 时 也 得 到 了 逐 步 完 善 。另外 将 Ｃ Ｆ Ｄ用于 泵体 内流 场 的数值 模 拟 ， 已经 成 为泵优 化设 计 的重要 方法 。大 量 的工 程实 践 证 明， 数值模 拟 结果 是 可靠 的 。本 文通 过 为 某 型 号 离 心泵 添加 固定 导 叶 ， 然后 基 于 Ｃ Ｆ Ｄ仿 真技 术 ， 对 泵 体 进行 了流场模 拟 ， 并 将 添 加 导 叶 前 后 的仿 真 效 果 与 实
(完整word版)CFX的流场精确数值模拟教程
基于CFX的离心泵内部流场数值模拟基于CFX的离心泵内部流场数值模拟随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX使用的基本过程加以整理供初学者参考。
如有不对之处敬请指教。
一、 CFX数值计算的完整流程二、基于ICEM CFD的离心泵网格划分2.1 导入几何模型2.2 修整模型2.3 创建实体2.4 创建PRAT2.5 设置全局参数2.6 划分网格2.7 检查网格质量并光顺网格2.8 导出网格－选择求解器2.9 导出网格三、CFX-Pre 设置过程3.1 基本步骤3.2 新建文件3.3 导入网格3.4 定义模拟类型3.5 创建计算域3.6 指定边界条件3.7 建立交界面3.9 定义输出控制3.10 写求解器输入文件3.11 定义运行3.12 计算过程四、 CFX-Post后处理4.1 计算泵的扬程和效率4.2 云图4.3 矢量图4.4 流线图2.1 导入几何模型在ICEM CFD软件界面内，单击File→Imort Geometry→STEP/IGES（一般将离心泵装配文件保存成STEP格式），将离心泵造型导入ICEM，如图3所示。
图3 导入几何模型界面2.2 修整模型单击Geometry→Repair Geometry→Build Topology，设置Tolerence，然后单击Apply，如图4所示。
拓扑分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：green = 自由边， yellow = 单边，red = 双边， blue =多边，线条颜色显示的开/关Model tree →Geometry → Curves → Color by count，Red curves 表示面之间的间隙在容差之内, 这是需要的物理模型，Yellow edges 通常是一些需要修补的几何。
图4 修整模型界面2-3 创建实体单击Geometry→Creade Body，详细过程如图5所示。
基于Fluent的水泵流动区域的CFD数值计算模型
CFD 数值计算模型软件平台：PRO-E3.0理论上，水泵的进口到出口的流动区域就是我们的计算模型。
一般，全流场算域分为5部分：1. 叶轮进口段2. 叶轮内流动域3. 泵体前腔4. 泵体后腔5. 泵体（涡壳）6. 出口段通常我们计算的时候运用流动域1、2、5、6, 最简化的为流动域2、5.计算模型可以运用PRO-E ，UG ，CATIA 等三维造型软件，具体的造型过程和步骤请点击三维造型培训，模型通常保存为STP 和IGS 文件格式.各流动域可以分别造型，然后进行装配.简单的模型可以运用FLUENT 前处理软件GAMBIT 中进行.下图为某型号纸浆泵，计算模型包括：1. 叶轮进口段，2. 叶轮内流动域，3. 泵体前腔，4. 泵体后腔，5. 泵体（涡壳）某型号纸浆泵计算模型下图为某型号低比速离心泵计算模型，包括：1. 叶轮内流动域，2. 泵体（涡壳）。
模型作了简化，没有考虑腔体中的流动。
某型号低比速离心泵计算模型下图为某型号的循环泵全流场计算模型，包括所有的流动区域。
某型号循环泵计算模型计算模型的造型是CFD 工作中非常重要的一部分，由于造型可能影响到网格划分和网格生成质量，因此，科学合理的造型将达到事半功倍的效果。
网格划分计算模型导入步骤 File--Import, 见下图。
导入计算模型, 轮廓图见下图。
网格划分界面a 面合并界面b 网格分界面c 网格质量检查模型处理好后, 分别对流动区域进行网格划分通常, 叶轮和泵体的几何现状不规则，运用T-Grid 类型进行网格划分，网格间距根据模型大小和计算机性能配置进行设置，一般取1-10.在进行全流场计算时，您可以在口环、涡壳隔舌、压力梯度大的区域进行局部加密，局部加密时，需要注意网格变化不能太剧烈。
为了提高计算精度和粘性底层的影响，先画好边界层网格，再画体网格。
在FLUENT 中，您可以根据计算的结果，用Adapt-Gradient 对压力梯度大的区域进行加密，如下图所示。
离心泵叶轮内部流场CFD分析
叶轮内流体的流动状态直接影响离心泵的性能。为了进一步探索泵叶轮内部三维流场的其他参数，为泵的 设 计 提 供 理 论 依 据 ， 以 有 限 元 法 为 依 据 ， 对 离 心 泵 叶 轮 内 部 流 场 的 速 度 、 压 力 进 行 CFD 分 析 ， 初 步 得 出 了 叶轮内部流场主要特征和分布规律。 关 键 词 ： 机 械 工 业 ； 离 心 泵 ； 分 析 ； 叶 轮 ； 内 部 流 场 ； CFD 中 图 分 类 号 ：TH311 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1003─ 188X(2005)04─ 0113─ 02
i =1
k
2 v = vx + v2 y
图 4 Fig.4
vy 流 速 分 布
v y velocities distribution
式中
K —某一结点相邻单元的个数。
各结点的压力由相对运动伯努利方程求出
P
ρ
+Z +
v2 − u 2 =c 2g
式中
c —常数。
图 5 Fig.5 总的流速分布
2
CFD 分析
真 实 值 /亿 m 4.90 5.01
3
相 对 误 差 /% 0.82 1.8
4
结论
本文对农业灌溉供水系统建立神经网络模型，
Forecasting Agricultural Irrigation Based on Nerve Network
XU Jian-xin, LI Yan-bin, GU Hong-mei
式中
( e) Aij =
σ
⎜ ∫ ⎜ (e)
⎛ ∂Φ(e) ∂Φ(je) ∂Φ(e) ∂Φ(je) ⎞ i ⎟d xd y + i ⋅ ⋅ ∂y ⎟ ∂y ∂x ⎝ ∂x ⎠
离心泵的数值模拟及性能分析
Candidate: Liu Han Supervisor: Prof. Pan Huachen
March，2013
杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或集体已经发表或撰写 过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
II
杭州电子科技大学硕士学位论文
目
录
摘 要 .................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 目 录 ................................................................ III
第 1 章 绪论 ............................................................... 1 1.1 前言 ................................................................. 1 1.2 离心泵的概述 ........................................................ 1 1.2.1 离心泵的分类 ..................................................... 1 1.2.2 水泵的结构 ....................................................... 2 1.2.3 离心泵的应用 ..................................................... 2 1.2.4 离心泵的基本参数 ................................................. 3 1.3 离心泵的 CFD 数值模拟研究现状 ........................................ 4 1.3.1 对离心泵内部流场的数值模拟 ....................................... 4 1.3.2 离心泵叶轮和蜗壳耦合 ............................................. 5 1.4 离心泵优化方法 ....................................................... 6 1.4.1 试验优化设计 ..................................................... 6 1.4.2 速度系数法优化设计 ............................................... 6 1.4.3 损失极值法优化设计 ............................................... 6 1.4.4 准则筛选法优化设计 ............................................... 7 1.4.5 CFD 流场数值模拟及 CAD 优化设计方法 ............................... 7 1.4 本文主要研究内容 ..................................................... 7 第 2 章 离心泵全流道网格建立 ............................................... 8 2.1 网格的概述 ........................................................... 8 2.1.1 网格的基本概念 ................................................... 8 2.1.2 网格的类型 ...................................................... 8 2.1.3 网格分块生成技术 ................................................. 9 2.2 GRIDGEN 商业软件和 PLOT3D 的简介 ..................................... 10 2.2.1 Gridgen 简介 .................................................... 10 2.2.2 PLOT3D 简介 ..................................................... 10
离心式污水泵内部流场的三维数值模拟
１ １ 算模型 ．计 本文 对在输 送水和 固体颗粒时离 心泵 内部 的两 相 物质 流动的轨迹进行 数值模 拟 ， 假设 ：（ ） １ 流动 为 稳态 、 三维 、 可压 缩 流体 的等 温 流动 ；（ ） 不 ２ 运动 过
ｅ ｅ ｅ ｔ ｔｍ ｉａ ｉｎ ｄ ｓｇ ｅ ｔ ｉｕ ｌｓ ｗａ ｅ ｐｕ ｐ ｒ ｎｃ ｏ ｏｐ ｉ ｚ ｔｏ ｅ ｉｎ ｏｆｃ ｎ ｒｆ ｇａ ｅ ｇ ｍ ． Ｋｅ ｒ ｓ：ｓ ｗｅ ａ ｅ ｐｕ ｐ；ｌ ｗ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｇｒ ｎｕｏｍ ｅｒｃｄｉｔｉ ｕｔｏ ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｒ ｇ ｍ ｆｏ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ； ａ ｌ ｔｉ ｓ ｒｂ ｉｎ； ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ
摘 要 ： 用 ＳＭＰ Ｅ 算法 、，Ａ 采 Ｉ Ｌ ｋ－ 模 型和 混 合 四 面体 非 结构 网格在 笛卡 尔坐标 系 中对 离心 式 污水 泵 内部 流 场 进行
了数 值 模拟 ， 出 了污 水 泵 内 固体颗 粒 的 流动 规 律 以及 固 体 颗 粒 的 分 布 特 征 ， 离心 式 污 水 泵 的优 化 设 计提 供 理 得 为 论参考。
１紊 流 模 型 基 本 理 论
Ｐ ＋
Ｐ＋
ｆ＋ ＲＬｓ＋ ａ ｐ（Ｆｐ＋ Ｆｌｔ ＋ 。 Ｐ Ｐ ｉｐ ｔ 【
其 中下标 Ｐ为 Ｌ和 Ｓ时分别 代表 液相和 固相 ，。 ａ 为 相 的体积分数 ， 为体 积 力 ， 为 应力 张量 ， ． Ｆ ｆ 为 升力 ， Ｌ 为相 间力 ， ＲＬ 一口ｐｆ ｖ・ｖ／ ｓ 为 Ｒ， Ｓ 且 ｌ ｓｓ （ ｓ ）ｒ ，
关键词 ： 污水 泵 ； 动规 律 ； 粒 分 布 ； 值 模拟 流 颗 教 中图 分 类号 ： ＴＱＯ １ ５ ２ ． 文献标 志 码 ： Ａ 文 章编 号 ： ６ ４３ ２ （ ０ ８ ０ — ０ ７０ １ ７ — ３ ６ ２ ０ ） ４０ ６ — ３
CFD在离心泵上的应用
CFD在离心泵上的应用摘要：指出采用CFD(计算流体力学)技术是解决离心泵水力设计的一个重要发展方向。
针对如何获得离心泵内部流场数值，指出应主要解决叶轮网格生成技术、边界条件设置、汽蚀流动的模拟、数值模拟结果的实验方法四个主要技术问题，提出了相应的解决方法。
关键词：CFD，离心泵设计，边界条件，网格1.CFD简介在具体介绍CFD在离心泵设计中的应用之前，我们先从CFD的应用现状及应用中的关键问题两个方面对CFD进行一个介绍。
1.1CFD的应用现状近年来，随着计算机技术的日新月异，复杂流动问题的模拟计算迅速发展，计算流体力学(简称CFD)越来越受到重视。
多种通用大型的商品化计算软件如“CFD2000”、“PHOENICS”等相继问世，而应用于各个特殊领域解决专门问题的专用化计算软件更是不可胜数，其应用也已从最初的航空扩展到包括离心泵在内的多个领域。
同时计算流体力学已从定性分析发展到定量的计算，正在逐步成为CAD系统中的一个重要组成部分。
通过这种“数值试验”可以充分认识流动规律，方便地评价、选择多个设计方案，进行优化设计，并大幅减少实验室和测试等实体试验研究工作量。
在降低设计成本、缩短开发周期及提高自主开发能力等方面，计算流体力学都可起到重要的作用。
发达国家许多大学、研究机构及大公司都已开展了大量的研究工作并已有较多的应用实例，值得引起重视。
目前CFD在计算方法、网格技术、物理模型等方面都取得了较大的进展。
在计算方法上追求三阶精度以上的高精度格式方法，其中又以对紧致格式的研究最为突出，紧致格式的理论研究已趋成熟，现在重点是实用化问题;计算方法研究还涉及带限制器的高阶插值、谱方法、拉格朗日方法、时一空守恒元方法等。
特别是将基因算法与传统计算流体力学结合在一起，在域分裂和最优化设计等许多方面显示良好的应用前景。
网格技术方面重点研究网格与流动特征的相容性、分块网格以及混合网格技术。
对于某些复杂流动问题，传统的网格无限加密技术可能使计算结果失真，此时就要求构造与特征相适应的网格完CFD的计算任务。
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基于CFD的离心泵内部流场数值模拟
为研究CFD技术在离心泵内部流场分析方面的应用，通过三维软件Pro/E 对核主泵内部流道进行三维造型，基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法，应用计算流体力学软件CFX对泵进行了定常数值模拟和分析。
结果表明：由于蜗壳的扩压作用，在0.6Q～1.3Q泵的内部压力变化梯度明显，从叶轮进口向蜗壳出口方向，压力逐渐增加。
在0.9Q～1.1Q工况，泵内的压力变化更加均匀，这表明在设计点附近，泵的流动更加稳定。
而在1.2Q和1.3Q 工况，在第八断面附近，出现高压流体和低压流体交汇，流场分布不均匀，这表明泵在大流量区域流动不稳定。
应用CFD技术能很好的分析离心泵的内部流场。
标签：CFD；离心泵；数值模拟
随着工业和城市化的进一步发展，我国面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的形势，因此开发高效节能的排污泵能够降低能耗，达到节能的效果，可以为国家带来巨大的经济效益[1]。
施卫东[2]为实现低比转速潜水排污泵高扬程、高效率、无过载性能的统一，对WQS150-48-37型低比转速潜水排污泵采用不同设计方法，经优化得出3种方案，应用Pro/E软件建模，结合Fluent软件对3种方案进行了多工况内部流场分析和性能预测，并与外特性试验结果对比。
丛小青[3]针对低比速排污泵轴功率曲线随流量增大而增大这一特点，从理论上推导了排污泵产生无过载轴功率的条件，分析了主要几何参数对扬程曲线斜率的影响，给出了无过载排污泵水力设计中主要几何参数的选择原则和范围，同时通过设计实例，阐述了无过载排污泵的设计方法。
刘厚林[4]通过对双流道泵叶轮和蜗壳里的水力损失、容积损失、机械损失的分析，提出了双流道泵扬程曲线、效率曲线的性能预测方法，分别给出了双流道泵叶轮和蜗壳内各种摩擦损失、扩散损失，及主要局部损失的计算方法。
张德胜[5]为了研究低比转速离心泵内部流动特性，对10种不同设计方案的低比转速离心泵进行了数值模拟和性能预测，讨论了叶轮和蜗壳的关键几何参数对内部流场和外特性的影响，分析了不同设计方案下泵内的静压、流线、速度和湍动能等分布，并针对复合式叶轮短叶片的分布位置和蜗壳喉部面积进行了对比试验。
文章通过三维软件Pro/E对核主泵内部流道进行三维造型，基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法，应用计算流体力学软件CFX 对泵内部流动进行定常数值模拟，旨在为泵的水力优化设计提供参考。
1 数值计算方法
1.1 泵的基本参数
额定流量Q=1400m3/h，额定扬程H=15m，转速n=990r/min，比转速ns=295，叶轮进口直径D1=330mm，叶轮外径D2=430mm，进行叶轮、泵体等水力部件
设计。
利用Pro/E软件建立叶轮泵壳的几何模型，主泵三维结构如图1所示。
1.2 网格及计算区域划分
根据离心泵的流动特性将流动区域分为以下区域：静止区1（进口流道），静止区2（压水室），旋转区（叶轮）。
为了获得更稳定的流态，延长一定程度的叶轮进口段。
在Workbench中对三维模型进行网格划分，在确保网格的计算精度和计算结果准确性的基础上，由于混合网格技术具有结构化与非结构化网格兼有的优点，并且生成方便、快速，采用自动划分法对计算区域进行网格划分，对叶轮调整单元尺寸加密划分，结果如下：进口流道的网格数为202800，蜗壳网格数为538468，叶轮网格数为604378，网格质量和网格无关性检查良好。
1.3 控制方程
假定流体不可压缩，则连续性方程为
（1）
动量方程为
（2）
式中：p-平均静压；u’i-速度脉动量；？籽-液体密度；ui-i方向的雷诺平均速度
标准k-ε方程为
（3）
（4）
（5）
（6）
式中，μt为湍动粘度；GK为湍动能生成项；其余参数C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σε=1.3，σK=1.0。
1.4 计算方法及边界条件
在流量一定时，为了得到更加准确的速度和压力梯度，进口采用压力进口条件，出口采用质量出流边界条件。
壁面采用无滑移壁面边界条件。
为了更好的处
理流动边界层，在近壁区域采用标准壁面函数。
输送介质为清水。
采用SIMPLEC 算法实现速度和压力之间的耦合。
计算过程中的亚松弛因子均采用CFX软件的默认值，残差收敛精度设置为10-5。
2 计算结果及分析
为了便于后处理，更好地分析泵的内部流动状态，建立一个垂直于旋转轴的等值面A-A。
图2为泵在0.6Q～1.3Q工况下的全流道静压图。
从图中可以看出，在0.6Q～1.3Q泵的内部压力变化梯度明显，从叶轮进口向蜗壳出口方向，由于蜗壳的扩压作用，压力逐渐增加。
在各工况下，均存在三个区域的压力梯度变化，主要是因为叶轮叶片数为3个，对应三个流道，随着叶片对流体做功，流体不断获得能量，形成压力梯度。
在0.6Q工况，叶片进口背面存在较为明显的低压区，主要因为在小流量区域，流体在进口区形成脱流，易造成泵在小流量运行的不稳定流动[6]。
在0.7Q～1.3Q工况，随着流量的增加，进口区域的低压区逐渐减小。
在0.9Q～1.1Q工况，泵内的压力变化更加均匀，这表明在设计点附近，泵的流动更加稳定。
而在1.2Q和1.3Q工况，在第八断面附近，出现高压流体和低压流体交汇，流场分布不均匀，这表明泵在大流量区域流动不稳定。
3 结束语
为研究CFD技术在离心泵内部流场分析方面的应用，通过三维软件Pro/E 对核主泵内部流道进行三维造型，基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法，应用计算流体力学软件CFX对泵进行了定常数值模拟和分析。
结果表明：
3.1 由于蜗壳的扩压作用，在0.6Q～1.3Q泵的内部压力变化梯度明显，从叶轮进口向蜗壳出口方向，压力逐渐增加。
3.2 在0.9Q～1.1Q工况，泵内的压力变化更加均匀，这表明在设计点附近，泵的流动更加稳定。
而在1.2Q和1.3Q工况，在第八断面附近，出现高压流体和低压流体交汇，流场分布不均匀，这表明泵在大流量区域流动不稳定。
3.3 应用CFD技术能很好的分析离心泵的内部流场。
参考文献
[1]朱荣生，林鹏，王振伟，等.QW型高效节能潜污泵的多工况水力设计方法和双密封室结构设计[J].农村水利水电，2012，05：113-116.
[2]施卫东，蒋婷，曹卫东，等.高扬程无过载潜水排污泵的优化设计与试验[J].农业工程学报，2011，27（5）：151-155.
[3]丛小青，袁寿其，袁丹青，等.无过载排污泵水力设计方法[J].排灌机械工程学报，2003，21（4）：5-7.
[4]刘厚林，袁寿其，施卫东，等.双流道泵性能预测的研究[J].农业工程学报，2003，19（4）：133-135.
[5]张德胜，施卫东，陈斌，等.低比转速离心泵内部流场分析及试验[J].农业工程学报，2010，26（11）：108-112.
[6]龙云，朱荣生，付强等.核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟[J].排灌机械工程学报，2014，32（4）：290-295.
作者简介：郑玉彬（1975-），男，工程师，主要从来事火力发电厂相关技术研究工作。