离心泵等旋转机械轴向力及径向力的CFD计算方法

说到底这是一个后处理的过程，如果要在计算时监视轴向力或者径向力数值及变化，那么应该先进行这一步骤，再计算！

轴向力和径向力作为旋转机械比较重要的参数，直接决定了转子组件运行稳定可靠性，所以我们可以按照《现代泵理论与设计》一书中的经验公式来粗略估计，也可以按照CFD的方法得到更加精确的值，值得注意的是CFD方法也由局限性，比如如果你不考虑叶轮前后盖板间隙或者多级泵平衡鼓处的流体时算得的数值是不准确的。轴向力的大小和方向决定了转子在运行时轴是受压缩作用还是受拉伸作用，所以有必要在设计之初就做出大致的判断，比如很多化工泵很多工况都是进口高压，那么必然转子要受到朝着驱动端方向的轴向力，这对轴承寿命的校核也起到关键性作用。

下面小丫将通过Fluent和CFX这两个软件来介绍如何计算旋转机械的轴向力或者径向力！

一、Fluent

这里我用前面做过的一个多级管道泵作为演示，具体的求解设置过程不再赘述，可在网站查看对应专题及教程！

这种泵的导叶为流道式导叶，因为管道内径向空间受限！

在Fluent左下角找到Results下的Reports下的Forces按钮，双击打开如下窗口

左侧Options下是我们很常用的Force和Moments（力和力矩），中间的Direction Vector用于定义力的方向，这样我们就能区分轴向力或者径向力了，最右侧的边界选择是让我们选取要查看产生力或者力矩的面！

这里需要选择的面是指所有旋转部件的壁面，包括叶轮的所有壁面、泵轴以及轴套、叶轮螺母等所有与介质接触的旋转面！不是单单只选择叶片表面的哈，虽然叶片表面也确实占了大头！

我这个模型的旋转轴为X轴，根据右手定则判断叶轮的旋向为-X方向，所以在要查看轴向力的话在Direction Vector中填写（1,0,0），要查看径向力的话在Direction Vector中填写（0,1,0）或者（0,1,0）！如果计算所得的数值为负数，说明力的方向与你所选的轴正方向相反！

轴向力

点击Print后会在TUI窗口中输出每一个旋转壁面上的分力值以及总的轴向力，可以看到转子总的轴向力是414N，方向为X轴正方向

径向力

可以看到径向力是非常小的，仅有2.37N方向为-Y方向！

从输出的结果值中可以看到包括了压力值和粘性力的值，后面是用力系数Cf表示的值，

Cf=F/（0.5*ρ*v²*A）

其中F、v、A分别为单元表面上的力、速度和面积！

二、CFX

CFX中以一个常规的单级单吸悬臂式离心泵为例演示

CFX中数值的提取大都在这个Calculators下，其中Macro Calculator我们前面有讲过具体的用法，可以点击下方文章链接查看：

CFD-POST旋转机械快速获取计算结果的方法

泵小丫

• 21年12月21日
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双击Function Calculator按钮，在Function选项中可以确定要计算的项，比如面平均值areaave、力force、扭矩torque、平均流量mass flow average等等，这里我们选择force

Location用于选择旋转壁面，和Fluent一样应包括全部的旋转面，但是CFD-POST貌似不支持多个面上的轴向力同时输出，所以只能单个面计算再求和了！

轴向力

径向力

Over！