离心泵模拟专题3：Fluent离心泵性能模拟

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

泵小丫

• 5月22日
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离心泵模拟专题2：网格划分

泵小丫

• 5月23日
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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MRF及SMM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

泵小丫

• 1月27日
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如何利用Fluent监测动态云图及动画

泵小丫

• 1月28日
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• 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

泵小丫

• 1月28日
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• 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

泵小丫

• 20年12月22日
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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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