离心泵模拟专题4:Fluent空化模拟

释放双眼,带上耳机,听听看~!

本专题前3篇文章:

离心泵模拟专题1:水力设计

离心泵模拟专题2:网格划分

离心泵模拟专题3:Fluent离心泵性能模拟

先对专题3(离心泵性能模拟)做一点延伸,我们做的是工况点也就是设计流量下的性能模拟,为了完整地实现性能的把握,我们还需要做其他几组工况,通常加0.8Q-1.2Q这5组工况,如果想要更宽的区间,你可以随意,但是要考虑意义和必要性!

其他几组怎么做呢?因为我们设置的进口边界是速度进口(也就是流量进口),现在流量变了所以我们对应修改进口边界参数就可以了,其他参数都不需要修改的,注意计算是需要重新初始化的,为了方便整理数据,我们可以将第一组的case复制到其他工况下,然后修改进口参数来运算,就可以了!

计算完成后,把你得到的扬程、功率和效率作为纵坐标,以流量为横坐标就能作出泵的性能曲线了,推荐使用Origin作图,好看主要!

关于如何得到效率、功率这些参数,可以参考下面的文章:

Fluent泵计算后处理

接下来进入本专题的正题了,如何利用Fluent进行泵的空化模拟,空化是有害的,不仅会导致泵的扬程、效率等性能下降,还会造成叶片点蚀、振动和噪音增大等问题,所以理想状态下泵最好不要发生汽蚀

一、基本设置

关于空化模型的基本知识,可以查看下方的学习笔记:

泵空化模型知识点

空化模型的选择 Fluent中默认2种空化模型,分别是Schneer-Sauer和Zwart-Gerber-Belamri模型,这两个模型可以任意选择,因为他们都具有稳定易收敛的特性! 求解器 Fluent中求解器的类型包括2种:分离式求解器和耦合式求解器,分离式求解器包括SIMPLE、SIMPLE…

首先,空化模拟是个两相流问题,对于多相流问题,比如泵的气液两相流模拟,大概的流程是怎样的呢?首先我们要进行单相比如介质是水的时候的性能模拟,等到流场稳定的时候再打开双相模型,这样多相流的初始条件是更接近实际情况的,对于空化模拟来讲,模型如果简单可以直接打开两相来计算,如果模型结构复杂,那么要先单相计算,然后以此时的流场参数为初始条件进行空化模拟。

鉴于我的模型简单无比,就直接开空化模型了!

  • 打开Fluent,导入网格

  • Scale网格尺寸,确保网格数量级正确
  • 创建mesh interface

这里的interface有2对,注意区分,另外注意查看命名方式,规范的命名是项目速度的保证!

  • check网格,确保不存在负体积

  • 设置重力

重力的方向为X轴负方向,-9.81(这个要根据自己的模型来确定方向)

  • 将参考压力修改为0

参考压力修改为0意味着咱们给的边界条件都是绝对压力

  • 选择多相流models

空化计算一般选择的多相流模型为Mixture混合模型,设置Number of Eulerian Phases相数为2,因为空化计算包括的介质包括water和vapor,这两种材料在Fluent数据库中是自带的。

  • 添加介质water和vapor

这个过程在离心泵模拟专题3:Fluent离心泵性能模拟中讲的非常清楚,关于基础的设置都可以查看下面的文档:

离心泵模拟专题3:Fluent离心泵性能模拟


  • 继续设置多相流

设置首相Primary Phase为water(对于首相材质的选择是哪个介质占比多就选哪个)

设置次相Second Phase为vapor

设置完记得及时保存!

然后在当且界面切换到Phase interaction相间相互作用设置界面,将Number of Mass Transfer Mechanisms数设置为1,意思是这2相之间会发生1种相变关系,接下来在From Phase中选择water相,在To Phase中选择vapor相,相变类型选择cavitation空化!也就是说这个过程是由水转变为水蒸汽的过程。

然后点击Edit按钮跳转到空化模型的设置界面,这里我们默认即可!关于这里模型的选择可以查看小丫之前总结的关于空化的知识点:

泵空化模型知识点

空化模型的选择 Fluent中默认2种空化模型,分别是Schneer-Sauer和Zwart-Gerber-Belamri模型,这两个模型可以任意选择,因为他们都具有稳定易收敛的特性! 求解器 Fluent中求解器的类型包括2种:分离式求解器和耦合式求解器,分离式求解器包括SIMPLE、SIMPLE…

设置完成后点击OK结束多相流设置窗口!

  • 选择湍流模型

这里我们选择SST K-omega,当然选择Realizable K-e也可以的!

湍流模型的选用可以查看下图,是胡老师总结的经典:

通常情况下建议选择Realizable k-epsilon模型及SST k-omega模型,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,当仅需要粗略估计湍流时,可以使用Standard k-epsilon模型!

  • 计算域设置

这个计算域的设置完全与专题3中设置一致,这里不详细描述


  • 边界条件设置

这里需要注意下,正常的边界是与专题3中一致的,对于空化模拟,进出口都可以设置为压力边界,也可以进口压力边界,出口流量或者流速边界,我们采用压力进口、质量流量出口的方式来求解!

关于进口压力的取值,我们直接参照《水泵与泵站流动分析方法》一书中的数据即可,因为模型是以此参数设计的!(但是实际设置进口压力的时候我们可以着重计算30000pa-28000pa这个区间,因为这里是扬程下降3%的重要拐点!

以下图的压力为例,这个28000pa值是总压,也就是参考压力为0时真实的进口压力,总压下方还有一个静压,这个值一般取比总压值小一点,那我静压值就可以设置为20000pa,这个静压值才流场中起一个初始化的作用,并不影响计算结果,但是根据经验这个值在这里不能给定为0!

出口:Mass Flow outlet

其中water的出口质量流量根据表中可得为159.2kg/s,而vapor的回流设置为0

其他边界设置与专题3一致,可查看下方文档:

离心泵模拟专题3:Fluent离心泵性能模拟

  • 求解方法设置

求解器的话对于空化来讲耦合求解器更适用,所以这里选择Coupled,此处激活为瞬态设置

  • 初始化

初始化可以采用混合初始化,也可以采用标准初始化从inlet
这里我习惯采用从进口标准初始化,各位随意

  • 其他设置

包括监测进出口压力及扬程、叶片上水蒸气含量等的动画,都可以在专题3页面中查看具体步骤!

离心泵模拟专题3:Fluent离心泵性能模拟

  • 开始求解

设置步数为1200步,开始计算即可!

设计这台泵的时候只顾着性能参数了,没注意到原来的案例中这个叶轮是带有导叶的,哈哈,所以现在可能汽蚀性能就和上述计算工况表对不上了,进口压力给多大取决于自己,只要能得到扬程下降3%时的那个具体数值就足够了。

二、数据计算及结果分析

通过对设计流量下取若干进口总压值,得到如下数据图,表示叶片表面vapor的体积分数:

以下是不断减小进口压力时的空化情况:






三、总结

空化模拟其实不止这一种方法,在《叶片泵先进优化理论与技术》一书中就有讲到另一种简便计算方法,不用通过逐步减小进口压力的方式来实现3%H的下降,具体对比可查看下方总结图表:

此种方法在2012年的工程流体会议上被提出,目前还没有见类似的教程,这个方法后面学到了再更!

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16 条回复 A文章作者 M管理员
  1. Asce

    出口边界条件没有质量流量出口是咋回事

    • 泵小丫

      低版本确实是没有的😁

    • 泵小丫

      解决方案是把质量流量转换为速度出口就可以了

    • 一2406

      质量流进口改为-的好像可以做到出口的效果

    • Asce

      设负的报错

    • 泵小丫

      所以转换成速度出口就行了,速度出口和质量流量出口是一样的

    • Asce

      也没有速度出口选项

    • 泵小丫

      求求你了,装个高版本吧😥

    • Asce

      😂😂电脑次

    • 泵小丫

      那也是没有办法

    • Asce

      我跑计算的话采用进口压力+质量流量出口和上面设置一样呗

  2. 夜涩

    👍👍👍

  3. 陈冰

    按照文中方法设置完成,但计算不收敛,前几步还可以,到了20步左右就开始发散了,可能是什么原因?

    • 泵小丫

      可以考虑先做单相稳态

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