轴流泵定常、非定常数值模拟

轴流泵定常、非定常数值模拟
1网格划分
1.1. 叶轮
[1] 在NX中，【文件(F)】→【导出(E)】→STEP203，将水体转成.stp格式。

[2] 打开ICEM CFD，【File】→【Change working directory】，选择工作目录。

[3] 【File】→【Import Geometry】→【STEP/IGES】，导入几何体，【Apply】如图4-6-1。

图4-6-1 导入几何图4-6-2 划分part
[4] 【Geometry】→【Repair Geometry】，，【Apply】。

若均为红线则实体拓扑结构完整。

[5] 为了便于后面的网格划分和后续的CFD设置，将叶轮水体的不同部位设为不同的“part”，如图4-6-2。

[6] 【Creat Body】，点击“2 screen location”后的鼠标箭头，在体上选择两点，要求这两点的连线都在体内，如图4-6-3。

点1
点2
单击
图4-6-3 生成BODY
[7] 【Mesh 】→【Global Mesh Setup】进行全局网格设置，“Scale factor”：1.0，“Max element”:10.0，【Apply】。

a
·ii·
b
图4-6-4 全局网格设置
[8] 【Mesh】→【Part Mesh Setup】，进行局部网格加密。

如图5，设置max size，CKB（出口边）：0.5，JKB（进口边）：0.5，KT（壳体）：4，LG（轮毂）：4，YLCK（叶轮出口截面）：4，YLJK（叶轮出口截面）：4，YP（叶片）：2。

图4-6-5 局部网格加密
[9] 【Mesh】→【Compute Mesh】，【V olume Mesh】，“Mesh Type”：Tetra/Mixed，”Mesh Method”：Robust(Octree)，如图4-6-6a，【Compute】。

生成网格数：134万，如图4-6-6b。

a b
图4-6-6 生成网格
[10] 【Edit Mesh 】→【Display Mesh Quality】，进行网格质量检查，结果如图4-6-7。

图7 网格质量检查
[11] 计算要求网格质量至少0.2，已然满足。

网格质量的进一步提高见“ICEM简介及关键操作技巧”。

[12] 【Output】→【Select Solver】，“Output Solver”:ANSYS CFX，“Common Structural Solver”：ANSYS，【Apply】，见图4-6-8
图4-6-8 选择求解器图4-6-9 生成.cfx5文件
[13] 【Output 】→【Write input】，【Done】，如图4-6-9。

1.2. 导叶
·iv·
[1] 在NX中，【文件(F)】→【导出(E)】→STEP203，将水体转成.stp格式。

[2] 打开ICEM CFD，【File】→【Change working directory】，选择工作目录。

[3] 【File】→【Import Geometry】→【STEP/IGES】，导入几何体，【Apply】如图4-6-10。

图4-6-10 导入几何体图4-6-11 划分part
[4] 【Geometry】→【Repair Geometry】，，【Apply】。

若均为红线则实体拓扑结构完整。

[5] 为了便于后面的网格划分和后续的CFD设置，将叶轮水体的不同部位设为不同的“part”，如图4-6-11。

[6] 【Create Body】，点击“2 screen location”后的鼠标箭头，在体上选择两点，要求这两点的连线都在体内，如图4-6-12。

点2
点1
单击
图4-6-12 生成BODY
[7] 【Mesh 】→【Global Mesh Setup】进行全局网格设置，“Scale factor”：1.0，“Max element”:10.0，【Apply】。

a
·vi·
b
图4-6-13全局网格设置
[8] 【Mesh】→【Part Mesh Setup】，进行局部网格加密。

如图14，设置max size，CKB（出口边）：0.5，JKB（进口边）：0.5，KT（壳体）：4，LG（轮毂）：4，YLCK（叶轮出口截面）：4，YLJK（叶轮出口截面）：4，YP（叶片）：2。

图4-6-14 局部网格加密
[9] 【Mesh】→【Compute Mesh】，【V olume Mesh】，“Mesh Type”：Tetra/Mixed，”Mesh Method”：Robust(Octree)，如图4-6-15a，【Compute】。

生成网格数：134万，如图4-6-15b。

a b
图4-6-15 生成网格
[10] 【Edit Mesh 】→【Display Mesh Quality】，进行网格质量检查，结果如图4-6-16。

图4-6-16 网格质量检查
[11] 计算要求网格质量至少0.2，已然满足。

网格质量的进一步提高见“ICEM简介及关键操作技巧”。

[12] 【Output】→【Select Solver】，“Output Solver”:ANSYS CFX，“Common Structural Solver”：ANSYS，【Apply】，见图4-6-17
图4-6-17 选择求解器图4-6-18 输出.cfx文件
[13] 【Output 】→【Write input】，【Done】，如图4-6-18。

·viii·
2 定常前处理
2.1. 打开CFX
【ANSYS13.0】→【Fluid Dynamics】→【CFX】，更改“Working Directory”，点击CFX-Pre 13.0，如图4-6-19。

图4-6-19 打开CFX
2.2. 新建Case
【New Case】，“Simulation Type”:General，【OK】，如图4-6-20。

图4-6-21 新建case
2.3. 导入网格
右击【Mesh】，“Import Mesh”→“ICEM CFD”，选择.cfx5文件，注意单位，【Open】如图4-6-22。

a
注意单位
b
图4-6-22 导入网格
2.4. 导入网格完成
导入的网格如图4-6-23所示。

·x·
图4-6-23 计算域
2.5. 生成域
在任务栏中，点【Domain】生成域，指定名称：jk，点【OK】，如图4-6-24所示。

图4-6-24
2.6. Basic Setting（基本设置）
如图4-6-25所示：
[1] Location and Type。

“Location （注意该位置是要选生成域的位置，名称不重要）”：SOLID；“Domain Type”：Fluid Domain；
[2] Fluid and Particle Definitions。

删除原有定义，新建，输入材料名称：water，“Option”:Material Library,“Material”:Water；“Morphology”: Continuous Fluid；
[3] Domain Models。

“Reference Pressure”:1[atm]，“Buoyancy Model”：Non Buoyant，“Domain Motion”：Stationary,“Mesh Deformation”:None。

图4-6-25 基本设置图4-6-26 流动模型设置
2.7. Fluid Models（流动模型）设置见图4-6-26。

[1] Heat Transfer。

“Option”:Isothermal，“Fluid Temperature”：25[C]；
[2] Turbulence。

“Option”:k-Epsilon，“Wall Function”:Scalable；
[3] Combution。

“Option”：None；
[4] Thermal Radiation。

“Option”：None；
[5] 【Apply】。

2.8. 重复基本设置和流动模型
用6、7的参数对进口、导叶进行相同的设置。

2.9. 设置叶轮域
·xii·
“Domain Motion”：Rotating,“Angular Velocity”:297[rev min^-1],“Rotation Axis”:Global Z，其他的选项保持和（6）（7）一致，见图4-6-27。

图4-6-27 设置旋转域
2.10. 以叶轮为例，设置边界
[1] 如图4-6-28，将边界命名为“kt”（壳体）；“Boundary Type”：Wall，“Location”：叶轮壳体；“Boundary Details”保持默认。

a b
c
图4-6-28 设置边界条件
[2] 类似地，将其余除各个域进出口以外的各个面的边界类型均设置为“Wall”。

2.11. 设置进口-叶轮的Interface（交界面）
[1] 在任务栏中点【Interface】。

[2] 指定名称。

在弹出的域命名窗口输入域名，点【OK】。

[3] 基本设置。

交界面类型为Fluid Fluid，交界面一边选择进口段的出口，另一边选择叶轮的进口。

Interface Models（交界面模型）：General Connection；Frame Change/Mixing Model：Frozen Rotor；Pitch Change中选择Specified Pitch Angles，Pitch Angle两边都是360[degree]，如图4-6-29所示。

图4-6-29 动-静交界面设置图4-6-30 静-静交界面设置
2.12. 叶轮-导叶的交界面
叶轮-导叶的交界面同11。

2.1
3. 导叶-出口的交界面
如图4-6-30，Frame Change/Mixing Model：None；Pitch Change：None。

2.14. 全局进出口条件设置。

·xiv·
[1] “Boundary Type”:Inlet,“Location”:选择进口，如图4-6-31a；
[2] Mass and Momentum。

“Option”：Mass Flow Rate,“Mass Flow Rate”：设置为额定流量（可根据实际情况设置其他流量）,如图4-6-31b。

图4-6-31a 进口基本设置
图4-6-31b 进口流量设置
[3] “Boundary Type”:Opening,“Location”:选择出口，如图4-6-31c；
图4-6-31c 出口基本设置
[4] Mass and Momentum。

“Option”：Opening Pres.and Dirn,“Relative Pressure”：0.1Mpa,如图4-6-31d。

图4-6-31d 出口设置
2.15. 设定求解控制
[1] 在任务栏中点【Solver Control】。

[2] 基本设置。

“Advection Scheme”：High Resolution；“Turbulence Numerics”：First Order（可以根据精度的要求自己设置），Convergence Control中最小设置1，最大设置2000。

时间步长控制选择自动步长（可以选择物理时间步长，推荐物理步长为1/ω）；Residual Type选择RMS；Residual Target 设为10^-4（这个精度基本符合要求），其他默认，点【OK】，如图4-6-32所示。

·xvi·
图4-6-32 求解器控制
2.16. 插入公式
右击【Expressions】→【insert】→【Expression】，命名并编写公式,如图4-6-33。

公式如下：
h: (OP-IP)/9800
IP: massFlowAve(Total Pressure in Stn Frame )@inlet
OP: massFlowAve(Total Pressure in Stn Frame )@outlet
a b
c
图4-6-33 插入公式
2.17. 设定输出控制
[1] 在任务栏中点【Output Control】。

[2] 在监测设置中，点右侧的新建，然后命名为H，“Option”:Expression，“Expression Value”:h。

同理设置监测点ip，op。

见图4-6-34。

图4-6-34 输出设置
2.18. 保存前处理文件
点【Write Solver Input File】。

如图4-6-35所示，点Save。

图4-6-35 保存前处理文件
3非定常前处理
3.1. Analysis Type
[1] 打开定常的前处理文件，在左侧树状图中展开双击【Analysis Type】，如图4-6-36a；
[2] “Analysis Type”：Transient；
[3] Time Duration（总计算时长）。

“Option”：Total Time，“Total Time”：0.032[s]（叶轮旋转一周）；·xviii·
[4] Time Steps（时间步长）。

“Option”：Time Steps，“Time Steps”：8.88889e-5[s]（叶轮转过1°
1/ ,本例中转速为297rev/min。

所用时间）。

时间步长推荐使用
a b
图4-6-36 Analysis Type设置
3.2. Solver Control设置
[1] 在任务栏中点【Solver Control】
[2] Convergence Control。

“Min. Coeff. Loops”：1，“Max. Coeff. Loops”：20。

收敛控制的作用是，若在20步以内收敛，则进入下一轮计算；若20步以内不收敛，也进入下一轮计算。

2
图4-6-37 求解器设置
[3] 其他设置基本沿用定常的设置，见图4-6-37。

3.3. Output Control
[1] 在任务栏中点【Output Control】；
[2] 点击“Trn Results”选项卡；
[3] 新建“Transient Results”,默认命名；
[4] Transient Results 1。

“Option”：Selected Variables，“Output Variable List”：Absolute Pressure, Density, Pressure, Total Pressure, Velocity。

一般选取上述变量，如图4-6-38。

[5] Output Frequency。

“Option”：Every Timestep。

·xx·
图4-6-38 输出设置
3.4. Define Run
在菜单栏中点击【Define Run 】，保存文件，忽略图4-6-39的对话框，我们会在计算时导入初
始条件。

图4-6-39 提示
3.5. 计算设置
[1] 勾选“Initial Values Specification ”;
[2] “File Name ”：选择定常计算的结果文件（.res ）。

如图4-6-40。

[3] 【Start Run 】，开始计算。

2
3
4
5
1
2
3
图4-6-40 计算设置·xxii·
4 定常后处理
4.1．将结果文件导入CFX-Post
打开CFX-Post，在菜单中选定【File】→【Load Results】，导入.res结果文件。

4.2．水泵外特性
[1]在“Expressions”，可以看到各种检测的方程，在前处理中设置的三个方程都可以在其中找到，双击则可以读出相应变量的数值，如图4-6-41所示，得到扬程。

[2]在Calculators中，单击Function Calculator，“Function”：torque，“Location”:叶轮，选择Z 轴，【Calculate】，如图4-6-42所示。

a b
图4-6-41 计算扬程
·xxiv ·
图4-6-42 读取扭矩
[3]轴功率：*/9549P T n =，P ：Kw ，T ：N*m ，n ：rev/min ；
输出功率：
e P gQH
ρ=；
效率：
e P P
η=
；
根据如上公式可以算出该流量点的效率。

4.3.内流特性
1）云图
[1] 新建平面。

菜单栏【Location 】→【Plane 】，命名平面，【OK 】；
[2] Geometry 。

“Domains ”：All Domains ，“Method ”：ZX Plane ，Y:0.0，如图4-6-43a ； [3] 平面生成图见图4-6-43b
a b
图4-6-43 建立平面
[4] 在菜单栏中点击【Contour】，命名云图；设置如图4-6-44，“Location”:Plane 1，“Variable”：Pressure。

图4-6-44 云图设置
[5] “Variable”选择不同的设置，得到不同变量的云图。

2）流线图
[1] 点击菜单栏中【Sreamline】，命名流线，“Domains”：All Domains，“Start From”：inlet，“# of Points”：100，如图4-6-45；
[2] 效果图如图4-6-46。

图4-6-45 流线设置
·xxvi·
图4-6-46 流线效果图
3）矢量图
[1] 菜单栏【Vector】，命名；“Domains”：All Domains，“Location”：Plane 1，具体见图4-6-47；
[2] 效果图见图4-6-48。

图4-6-47 速度矢量设置
图4-6-48 速度矢量效果图
5 非定常后处理
5.1导出监测点值
计算结束后，在Solver中的“User Monitor”界面右击，【Export Plot Data】，【Save】，保存非定常计算的监测点值，如图4-6-49。

a b
图4-6-49 导出检测点值
5.2文件导入CFX-Post
·xxviii·
打开CFX-Post ，在菜单中选定【File 】→【Load Results 】，导入.res 结果文件。

5.3水泵外特性
[1] 打开1中保存的“output.csv ”，如图2。

本例中定常计算进行了2000步，所以非定常结果应当从2001步以后开始读取。

图4-6-50 读取检测点值
[2] 本例中非定常计算进行了一个周期（叶轮旋转360°），非定常的扬程波动可作图4-6-51。

0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
8.7430
8.74358.74408.74458.74508.74558.7460
8.74658.74708.7475扬程
/m 时间/s
图4-6-51 非定常的扬程波动
[3] 在Calculators 中，单击Function Calculator ，“Function ”：torque ，“Location ”:叶轮，选择Z
轴，【Calculate 】，如图4-6-52所示。

累计时间步 扬程监测点 进口压力监测点 出口压力监测点
图4-6-52 读取扭矩图4-6-53 选择时刻
[4] 【Timestep Selector】，出现如图4-6-53的对话框，双击时间步，即可读出当下时间步的叶轮扭矩。

[5] 轴功率：
*/9549
P T n
=，P：Kw，T：N*m，n：rev/min；
输出功率：e
P gQH
ρ
=
；
效率：
e
P
P
η=
；
根据如上公式可以算出瞬时效率。

5.4内流特性
[1] 导入定常后处理中的设置
【File】→【Load State（Ctrl+O）】，选择定常的设置文件.cst。

[2] 勾选【Streamline1】，如图4-6-54。

·xxx·
图4-6-54 勾选Streamline
[3]【Timestep Selector】，双击时间步，即呈现当时的流线图，如图4-6-55。

a．时间步2001 b.时间步2002
c.时间步2003
d.时间步2004
图4-6-5 不同时刻的流线图
[4] 水泵的其它内特性都可以通过相似的方法读出得到，这里不再赘述。