离心泵模拟专题3:Fluent离心泵性能模拟

释放双眼,带上耳机,听听看~!

本专题前2期内容如下所示,建议从第1期开始阅读:

离心泵模拟专题1:水力设计

离心泵模拟专题2:网格划分

关于水力设计及网格划分部分,可以查看上述2篇专题,今天来看看如何在Fluent中采用MRFSMM模型进行离心泵性能模拟,得到基本的扬程、效率、压力场、速度场等参数。

文中涉及到很多内容之前都已经写过了,内嵌了相关的文章链接,可以点击查看详细说明!

首先将划分好并装配好的网格导入Fluent中,最好是能够装配完成再导入,能省去不少报错和尺寸不匹配的麻烦!

一、稳态求解

  • scale网格尺寸

导入的模型很有可能尺寸不是很合适,可能需要缩放网格,所以导入网格后先scale,将显示单位修改为mm后看尺寸是否和自己的模型一致,如果不在一个数量级则需要缩放,在后边的“Mesh Was Created In”中选择对应要转换的目标单位,点击下方Scale即可,直到确认尺寸合适!

  • 勾选Gravity

介质为水,需要考虑重力,勾选“Gravity”选项并设置合适的方位及重力加速度的值!此处为-x方向,所以x方向重力加速度设置为-9.81

  • 选择合适的湍流模型

关于湍流模型的选择,可以查看下胡老师总结的选择方法

选用原则:

  1. 通常情况下建议选择Realizable k-epsilon模型及SST k-omega模型
  2. 当需要高精度求解边界层,如涉及流动分离或传热细节时,建议使用SST komega模型
  3. 当仅需要粗略估计湍流时,可以使用Standard k-epsilon模型

此处我们选择标准k-epsilon模型(Standard k-epsilon)

  • 增加介质“water_liquid”

添加完成后会出现在介质中

  • 定义计算域

计算域的定义包括计算域介质的选择以及旋转属性的定义,可以查看下方文档:

MRF(多参考系)旋转模型

MRF是一种多参考系旋转模型,分为静参考系和动参考系。其中动参考系用于定义叶轮等旋转组件的运动情况,静参考系用于描述相对于旋转组件静止的模型的运动情况!所以MRF模型适用于至少有2个计算域且至少有一个运动的,比如带有蜗壳的离心泵、离心风机都是可以用这个模型的。 对于运动域与静止域连接的部分也就是耦合…



  • 定义边界条件

边界包括进口,出口,旋转壁面,静止壁面,关于进出口应该怎么选择边界,可以查看下方的文档:

边界条件

泵流场计算主要涉及的边界有:进口、出口、壁面、周期性边界(多用于单流道)等。 在泵的流场分析中,我们通常知晓泵的设计流量,也就是流动工况已知,所以可以利用这个已知量来定义边界。与流量有关的2个边界类型分别是质量流量入口(mass flow inlet)和速度进口(velocity inlet),这俩…

对于进口INLET,已知流量和进口段横截面积,可以计算出流速,所以采用速度进口(Velocity inlet

对于出口Outlet,已知设计扬程,可以计算出出口总压,所以可以定义为压力出口(Pressure outlet

对于旋转壁面,定义如下:


  • 定义进口压力、出口压力、扬程等参数的监控

这个之前已经写过详细的教程了,可以查看下方文档:

如何利用Fluent监测变量

如何利用Fluent监测动态云图及动画




  • 初始化

初始化采用标准初始化,从进口INLET初始化即可

  • 求解计算

稳态求解,给定总步数为1200步,计算完成!

通过查看监测的扬程,泵的扬程在42m左右,通过查看监测的详细数据,H=42.5m,这比我们的额定扬程高出了5m,通常模拟出来的结果都是要比实际高一点的。

  • 后处理

采用CFD-POST来看一下结果

叶片压力

叶轮压力

速度云图

速度矢量图

流线图

  • 稳态模拟结束

稳态求解是与时间没有关系的,如果要看瞬态叶轮的旋转情况,咱们可以采用SMM模型也就是滑移网格来在稳态的基础上进行瞬态的求解。

二、瞬态求解

  • 瞬态滑移网格

关于SMM模型的使用方法及设置要点可以查看下方的文档:

SMM(滑移网格)旋转模型

SMM滑移网格模型是用于模拟流场中存在相对运动,能够捕捉静止域与旋转域中动静干涉作用,所以SMM模型适用于求解瞬态问题。 在水泵等旋转机械中,转动部件与静止部件之间的相对运动导致非定常的相互作用,流场呈现出周期性变化特征,这种作用称之为动静干涉! 在Fluent中滑移网格全称Mesh Motion,…
  • 修改求解方式为Transient

在稳态计算结果的基础上直接修改,无需重新初始化,稳态的结果将自动作为瞬态的初始值

  • 将叶轮域的MFR模型copy到SMM模型


其他部分无需改动!

  • 设置监控界面

比如我要直观的感受叶轮的旋转,并创建动画,那么就需要用到这个功能了,之前有写过详细的教程,可查看下文:

如何利用Fluent监测动态云图及动画



  • 设置步长及步数

这个也写过很多很多遍了,如何确定步长时间以及步数

在计算瞬态的时候需要设计时间步长和步数。在有关书籍中的介绍是叶轮转过6-8个周期就可以判断流场已经趋于稳定了,根据我们设定的转速为1450r/min,也就是24.167r/s,这样算下来叶轮转一圈需要的时间是1/24.167=0.04137s,一圈是360°,那么如果我们给定叶轮每转动1次转过的角度是2°,可以根据0.04137/360*2算出时间步长为2.3e-4s,步数为0.04137*8/2.3e-4s=1440步!

所以根据以上计算结果,设定时间步为2.3e-04。设定步数为1440

但是真实的步数应该是1440*20=28000步,大家如果仔细看Fluent的求解设置界面的话,会看到这样一个参数“Max Iterations/Time Step”,默认数值是20,意思是在一个时间步长内还会迭代计算20次,也就是实际计算20步才是一个完整的步长。所以实际计算步数应该是1440*20=28800步!

根据我电脑1秒1步的速度,算完大概需要8小时,豁!

通过瞬态计算能够得到更精确的扬程的数值,瞬态求解也更接近物理实际情况,但是计算量也要比MRF模型大很多,所以群里老哥讲一般只跑稳态也是ok的。这玩意现在分析已经到了人人都会的阶段,真正应该学习的是叶轮的优化设计,学会优化设计收入蹭蹭蹭!哈哈

  • 开始计算

瞬态求解的残差曲线和稳态是截然大不相同的,看看胡老师针对这俩的表述吧!

文章链接:点击直达

文中不仅对残差这个概念进行了解释,还讲了如何判断是否收敛,收敛的标准以及残差曲线的类型,看完这篇文档秒懂!yyds

    • 叶轮动画展示

  • 泵后处理

这个在年初做轴流泵案例的时候详细写过文章,包括如何获取扭矩、压力、计算扬程、功率、效率等等,可查看下方文章:

Fluent泵计算后处理

具体的数值我就不算了,感兴趣的同学可以根据上述文档自己算一下,看看效率和设计效率差多少!

  • 结束

三、结语

这一年来Fluent用的最多,忽略了CFX的学习,下一期专题更新CFX求解的教程,今天上手发现很多东西都忘了。


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2021-6-6 12:29:51

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2021-6-13 23:13:17

14 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 一2406

    非常好的资源?,推荐给其他泵开发爱好者

  2. Asce

    你好,模型导进去这样是怎么了

    • 泵小丫

      这不是很正常么,显示一下网格display

  3. Asce

    网格显示还是这样

    • 泵小丫

      你可以改一下网格显示颜色的

    • Asce

      这个在哪里改啊

    • 泵小丫

      Display旁边的Colors

  4. July

    导入mesh文件进行check以后报错,怎么解决呢

    • 泵小丫

      先创建interface再check

    • July

      感谢😁

    • July

      又出现了报错

    • 泵小丫

      从入门到放弃

    • July

      从一个坑再到另一个坑

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