离心泵模拟专题7：CFX离心泵空化模拟

距离本专题上一次更新已经是七个月前了，肉眼可见这半年我变懒了哈哈，抓紧趁着天冷了让小心心火热起来，继续燃烧！

今天的内容是如何利用CFX模拟离心泵的空化效应并得出必需汽蚀余量NPSHr，这是我们评判叶轮水力设计好坏的重要标准。所以我们可以在设计前期就得到一个大致的数值，以便于和装置汽蚀余量NPSHa做减法，一般情况下NPSHa-NPSHr≤1.5m时会要求我们做泵的汽蚀性能试验，以确保泵在运行时不会发生汽蚀。汽蚀的危害很多，包括但不限于影响泵的扬程、效率、振动、噪音、过流部件损坏等，综上所述，利用CFD方法预测NPSHr值既经济又非常有必要，那么接下来我们开始！

如果你看过我们专题的第4部分，也即下面这篇文档，关于如何利用Fluent模拟离心泵的空化性能，请查看下方这篇文档：：

离心泵模拟专题4：Fluent空化模拟

泵小丫

• 21年7月21日
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你会发现，模拟空化的发生首先需要一个稳定的流场，所以通常情况下在模拟空化之前需要先完成稳态计算，得到一个.res的稳态数据结果，以这个文件作为空化的初始状态，看到这里咱们默认你离心泵的稳态计算已经结束了！

那离心泵的空化（汽蚀）具体是怎么模拟的呢？你得看看下面这篇文档，和我们实际工程试验是相同的步骤：

泵汽蚀试验及模拟怎么做

在泵的性能曲线中有一项是NPSHr-Q也就是汽蚀性能曲线，代表了不同扬程下必须汽蚀余量的变化情况，随着Q的增大NPSHr也是在增大的，要想绘制不同流量下的NPSHr曲线，我们需要先得到这些流量点处的NPSHr值，也就是说我们要做若干组不同流量的结果出来。 好，现在比如说就要得到流量为Q时的NPSHr…

打开workbench，拖入Fluid flow（CFX）模块，右键点击Setup点击Import case，找到稳态计算时设置的.cas文件导入。空化设置过程是在稳态cas的基础上添加内容，所以这样很方便！

导入cas后右键Edit进入CFX-PRE设置界面

Setp1：添加介质Vapor

找到Material，右键点击Insert-Material按钮新建一个原材料，这里我们可以将其命名为Vapor

选择材料的属性，材质的类型为Pure Substance（单一属性的材质），如果是混合物就不能选这个类型了，得是Fixed Composition mixture，下边是Material Group，就相当于你从这些属性中摘出你想要的，我们需要用到的是

• • Constant Property Gases（具有恒定属性的气态）

• • Interphase Mass Transfer（定义比热容这些）

• User（默认的）

需要同时选择这3个类型，所以选择的时候需要按住Ctrl就可以多选

选好后点击OK如下所示，勾选Thermodynamic State（热力学状态），保持默认为Gas，意思是Vapor状态一直为气态，该参数将物质的状态设置为固体、液体或气体。存在某些限制通过选择特定状态而施加的。例如固体必须始终具有至少密度，规定的比热容和热导率。

切换到Material Properties项，这里需要定义如下的数值，

• Molar mass（摩尔质量）
• Density（密度）
• Specific  Heat  Capacity（比热容）
• Dynamic Viscosity（运动粘度）

这些都是水的物性参数，可以通过查阅物性参数表来获取数据，毕竟这些数值前人已经都测试过了

水蒸气的摩尔质量Molar mass和水是一样的，都是18g/mol，换算成CFX的单位也即18kg/kmol

水蒸气的密度会随着温度的不同而变化，所以可以查看下方的这个表格，通常我们汽蚀是在常温下测试的，所以温度可以选择20℃或者25℃，就选取下表中的密度一栏中的数值即可！

关于水蒸气的比热容，这个数据真是不好找，我查到孟兆祥老师的《空气调节基础》中水的比热容为420J/Kg/k、水蒸气的比热容为1840J/Kg/k；根据Flunet材料库中自带的water Vapor材质的定义，可以看到下方的曲线，看起来和查到的数据是有出入的，这里咱们暂且就按照1840J/Kg/k来算，如果读者有更详细的关于水蒸气比热容的数据分享一下，咱们再做补充！

这里需要非常注意的是单位，比如比热容，

CFX软件默认的单位是“J/Kg/K”，很多物性表里的数据单位并不相同，比如J/Kg/℃还有KJ/Kg/K，其中“J/Kg/K”和“J/Kg/℃”是完全等价的，我们需要注意的是KJ与J之间的1000倍关系、Kg与g之间的1000倍关系（这句等于废话）！

Step2：设置计算域

前面我们添加了水蒸气介质Vapor，我们在前期定常计算的时候只有单相介质water，所以需要指定

任选一个计算域，双击或者右键Edit编辑，如下图所示点击新建按钮，添加新的介质项，名称随意，我们这里定义为Vapor

选中新建的Vapor项，在Metrial中找到我们step1中新建的材料Vapor，相当于指定了第二相为Vapor水蒸气项，注意看下方计算域的参考压力为0，因为在计算汽蚀是进口压力采用绝对压力，所以这个参考压力需要指定为0，其余时候给1个大气压！

接下来切换到Fluid Models项，勾选Homogeneous Model（均相模型）项，均相流模型是假定多相介质流动是整体且均匀的混合物，相间没有相对滑移，所有流体共享一个速度场、湍流场等，适用于气泡、雾状等模型，所以对于咱们压降产生的气泡来说是非常适合这个模型的，相当于简化了问题。

湍流模型这个区别不大，就用默认的K-e即可

然后切换到Fluid pair models项，来设置相间作用为Cavation，水蒸气饱和压力（Saturation pressure）数据可查下表！

计算域设置完点击OK按钮结束，CFX设置的好处在于只要指定任意一个计算域的设置项，其他计算域也会自动更改，而Fluent里边不这样，你得按个修改或者改完一个，复制给其他所有计算域，这么看来CFX还是有优点的哈哈。

Step3：设置边界条件

流体域进口Inlet：

边界类型为Total Pressure，因为我们已经将参考压力指定为0，所以这个时候总压和静压都是一样的，习惯性总压！我看也有很多教程中在计算空化的时候采用流量进口压力出口，你要说有啥毛病吧也没有，因为出口压力降低了进口自然也会跟着降，只是个习惯问题，至少空化发生的主要机理是由于进口压力降低了，低于汽化压力了，就发生了。所以结合工程实际，还是给进口压力边界习惯。

至于我这个100kpa压力值是怎么来的，工程实际中很多泵进口压力也就在0.1Mpa左右，泵的汽蚀余量NPSHr值再差也不可能高到10m以上去的，所以可以从100KPa往下减小，前面可以区间取大一些，20Kpa往下降，到60Kpa左右后切换到区间为10Kpa往下降，再往下根据实际计算数据可以调整区间为5Kpa或者更准确的1Kpa，只要计算资源充足时间充足，你可以得到非常精确的NPSHr值！

设置好后切换到Fluid Values项，指定进口边初始状态水的体积分数为1，水蒸气的体积分数为0，这么设置的意思是水蒸气都来自低压析出，而非我们人工输入！设置好后点击OK按钮关闭！


流体域出口Outlet：

边界类型为质量流量出口Bulk Mass Flow Rate，设置好后点击OK按钮关闭！

Step4：求解设置

前面我们讲了，空化的前提是需要在定常计算结果的基础上开展，所以要将定常计算的结果文件.res作为Initial Values，如下图设置，其中中间部分是找到定常的结果文件，设置好后点击OK按钮完成！

Step5：求解计算

关闭Workbench，Update项目！

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