离心泵数值仿真指导教程

1.离心泵数值仿真指导教程
本章对离心泵数值仿流程和步骤进行详细说明。

PumpLinx算例文件目录下会生成几个
重要文件，其中“.sgrd”文件为网格文件，记录网格信息；“.spro”文件为工程文件，记
录模型及边界条件设置信息；如需打开一个完整的算例，工程文件和网格文件缺一不可。

“.stl”文件为PumpLinx支持的几何模型导入格式。

1.1离心泵几何模型导入
►在CAD软件中将离心泵进口段、转子部分和蜗壳出口段分别以stl格式导出。

►注意:在导出几何模型之前，需要将进口段、转子部分和蜗壳出口段分成三个部分，以便在进行数值仿真时可以顺利生成动/静流体域之间的交互面。

如下图所示：
►运行PumpLinx软件，新建一个工程文件，界面如下：
►选择界面左边的Mesh窗口命令（一共4个窗口选项，分别是Mesh、Model、Simulation 和Result，分别代表各个步骤）。

►选择“Import/Export Geometry or Grid”命令，点击“Import Surface From STL Triangulation File”，选择事先从CAD文件中导出的stl文件，如图所示：
此步骤也可直接打开PumpLinx标准算例文件“centrifugal_initial_stl_surface.spro”，其默认存储路径为：“C: /Program Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal”。

1.2 切分离心泵边界面
1.2.1对离心泵流体域进行分区
►点击“Split/Combine Geometry or Grid”命令，选择“Split Disconnected”命令对分块的几何模型进行切分。

►几何体被分为pump_1，pump_2和pump_3三部分，分别将对应部分命名为Inlet，Rotor和Volute，即进口、转子和蜗壳三部分。

重命名pump_1为volute，即蜗壳出口部分；
重命名pump_2为rotor，即转子部分；
重命名pump_3为inlet，即进口部分。

1.2.2 切分并定义进口段边界面
►选择进口段几何模型，设置75度分割角，点击“Split by Angle”选项，将进口段分为inlet_1，inlet_2和inlet_3三部分。

重命名inlet_1为inlet_wall，即进口壁面；
重命名inlet _2为inlet_mgi，即进口与转子部分的交互面；
重命名inlet _3为inlet_inlet，即进口面。

1.2.3切分并定义定义转子部分边界面
►选择转子部分几何模型，设置30度分割角，点击“Split by Angle”选项，转子部分切分成rotor_01至rotor_20数个部分。

由于设置了“Maximum Num. of Splits”值为20，因此最多允许划分的几何面为20。

重命名rotor_01为rotor_top，外盖板面
重命名rotor_02为rotor_bottom，内盖板面
重命名rotor_03为rotor_mgi，转子与蜗壳部分的交互面
重命名rotor_10为rotor_inlet，转子与进口部分的交互面
►合并rotor_04至rotor_09，rotor_11 至rotor_20部分，并重命名为rotor_blades。

1.2.4切分并定义蜗壳出口部分边界面
►选择蜗壳出口段几何模型，设置89度分割角，点击“Split by Angle”选项，蜗壳出口段被划分为volute_1至volute_7数个部分。

重命名volute_1为volute_wall，蜗壳壁面；
重命名volute_2为volute_mgi，蜗壳与转子部分交互面；
重命名volute_5为volute_outlet，蜗壳出口。

►将剩下的面与蜗壳壁面合并。

►最终切分好的边界面如下图所示：
该步骤完成后，可将此文件与算例文件“centrifugal_s_prepared_surfaces.spro”对比，该算例文件默认路径为：C: /Program Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal。

1.2 生成网格
1.2.1创建入口段网格模型
►选择General Mesher命令。

►在界面右边的“Geometric Entities”窗口下，选择定义好几何面的进口段流体域，注意一定是封闭的进口段几何体。

►设置网格划分参数，其中最大网格尺度为0.04，最小网格尺度为0.001，面网格尺度为0.01。

此处采用的是相对尺寸的方法划分网格，以x方向为例，x方向上存在最大和最小几何尺寸，将最大几何尺寸和最小几何尺寸之间的距离视为单位长度，当网格尺度为0.04时，该单位长度乘以0.04即为最大网格的尺寸。

►网格生成后，在“Geometric Entities”窗口下，会新增“Volumns”选项，即为网格模型，点开左边的小三角符号，将新增的volumn重命名为inlet。

1.2.2创建转子部分网格模型
►选择General Mesher命令。

►在界面右边的“Geometric Entities”窗口下，选择定义好边界面的转子部分流体域，注意一定是封闭的几何体模型。

►设置网格尺寸，具体尺寸与进口段参数设置一致。

►转子部分网格生成以后，在“Geometric Entities”窗口下，新增volumn部分，点击左边的小三角符号，出现Boundaries选项，点开左边的小三角符号，选择rotor_blades面与
sub-features面，然后点击“Mesh”窗口下“Split/Combine Geometry or Grid”命令，选择“Combine”选项，然后点击“Combine”命令，即将这两个面合并为一个几何面。

sub-features是网格生成过程中产生的小碎面，将此部分与对应的几何面合并即可。

►注意：合并时先选择rotor_blades，再选择sub-features，新合并的几何面即会以rotor_blades 命名。

►将新生成的volumn重命名为rotor。

1.2.3创建蜗壳出口段网格模型
►选择“General Mesher”命令
►在界面右边的“Geometric Entities”窗口下，选择定义好边界面的蜗壳出口段流体域模型，注意一定是封闭的几何体模型。

►设置网格尺寸，具体尺寸与进口段参数一致。

►出口部分网格生成后，点开新增volumn部分左边的小三角，合并volute_wall和sub-features，并以volute_wall重命名。

►将新生成的volumn部分重命名为volute。

将此文件保存，并与标准算例文件“centrifugal_prepared_mesh.spro”对比。

在生成网格过程中，可在“Results”窗口下，勾选Grid选项，监测网格的细密程度。

如网格不够细致，可通过调整最大网格尺寸、最小网格尺寸和面网格尺寸来达到调试网格质量的目的。

1.3创建交互面
1.3.1创建进口与转子的交互面
►在“Geometric Entities”窗口下，选择inlet_mgi面，按住Ctrl键再选择rotor_inlet面，此时“connect selected boundaries via MGI”命令被激活，点击该命令，即生成进口与转子部分的交互面。

1.3.2转子与蜗壳出口段的交互面
►在“Geometric Entities”窗口下，选择rotor_mgi面，按住Ctrl键再选择volute_mgi面，此时“connect selected boundaries via MGI”命令被激活，点击该命令，即生成转子与蜗壳部分的交互面。

1.4模型设置及求解
►选择“Model”窗口，点击“Select Modules”命令，添加“Centrifugal/Cavitation/Turbulence”三个模块。

1.4.1设置离心泵运行参数
►在“Model”窗口下，选择Centrifugal模板，设置参数如下
1.4.2设置边界条件
►设置离心泵数值仿真边界条件如下
边界面边界条件
inlet_inlet Inlet: 101325 Pa (1 atm)
rotor_blades Rotor
rotor_bottom Rotor
rotor_top Rotor
volute_outlet Outlet : 0.15 m3/s
volute_rotating_walls Rotating Wall
1.4.3选择流体介质
►选择“Geomrtric Entities”窗口下最上方的“Volumns”，然后在界面左边的“Properties”窗口下选择流体介质为水。

此处默认的流体介质为水，其中气体质量分数2.3e-5，具体介质属性参数如下
1.4.4创建监测点
►可根据实际需要创建监测点，记录相关数据。

►在“Geometric Entities”窗口上方，点击“Creating a Monitoring Point”，在该窗口则新增“Points”选项，选择创建的监测点，在页面左下方的“Propertier”窗口“Geometry”命令下设置该坐标点几何为为（0.01，0，0）。

如对监测点没有确切的几何位置要求，可通过拖动该几何点确定其大致位置。

1.4.5运行稳态计算
►选择“Simulation”窗口。

►设置迭代步为2000，点击“start”命令即可运行稳态计算。

1.4.6运行瞬态计算
►选择“Model”窗口。

►设置离心泵模板参数如下图所示。

其中“Number of Revplutions”表示瞬态仿真的旋转圈数，“Time Steps Per Pocket Rotation”表示叶片从某一位置运行至相邻叶片位置时所用的时间步数。

当旋转速度确定，根据以上设置即可确定瞬态仿真的时间及时间步长。

►设置Fow模板参数如下
►选择Simulation窗口，设置保存频率为5，即每隔5个时间步保存一次结果。

►保存该算例文件，可将其与标准算例文件“centrifugal_prepared_model.spro”对比，检查模型的正确性。

►点击“start”，即可开始进行瞬态仿真计算。

1.5计算结果查看
►云图显示，在“Geometric Entities”窗口的“Volumns”部分，选择需要查看的流体域，在“Results”窗口下，选择对应的变量即可。

►数据曲线生成及查看，在“Geometric Entities”窗口的“Volumns”部分，选择需要监测的边界面，点击工具栏上的“Add XY-Plot”命令，在页面下方会新增“Plot1”窗口，选择需要查看的变量，生成曲线即可。

如需查看具体的数据或需要对结果数据进行再处理，可以通过“copy date”命令将数据直接粘贴至Excel或其他数据处理软件。

►如需查看具体的数据或需要对结果数据进行再处理，可以在“Plot1”窗口下通过“copy date”命令将数据直接粘贴至Excel或其他数据处理软件。

►创建截面，在“Geometric Entities”窗口下，点击“Create a Cross-Section ”命令，在窗口下方新增“Derived Surfaces”选项，选择新创建的截面，可通过拖动或设置截面位置的方式确定某一截面位置。

►查看速度矢量，选择上步骤创建的截面，在“Results”窗口下，勾选“Vectors”选项，即可显示矢量。

同时也可选择不同的参数给速度矢量以颜色显示，如压力。

在“Properties”窗口，“View”命令下可调速度矢量的大小，箭头大小，投影以及透明度显示等。

►流线显示，计算完成后，选择“Model”窗口，点击“Select Modules”命令，添加“Streamline”命令。

选择释放流线边界面（如进口边），在“Properties”窗口下设置“Release Particle”为“Yes”，即可显示流线。

流线厚度、数目及颜色标注等均可调。

►动画制作，在瞬态计算开始前，设置保存频率为5，即每隔5时间步保存一个结果，当计算完成后，在当前目录下则会存储多个结果文件。

在模型显示区域，将三维显示效果调至最佳位置，然后在“Flie”下面选择“Save animation”，弹出对话框，选择对应的所有结果文件，然后点击“打开”，在给定该动画的名称，点击保存即可生成后缀为“.gif”的动画文件。