針對本科畢設中所涉及到的離心泵數值分析和性能計算，將用最簡單粗暴的方法，講解如何基于CFturbo、ICEM、FLUENT來開展離心泵水力設計和性能分析的計算機輔助（CAE）實現。離心泵的水力設計由CFturbo軟件實現；網格剖分由ICEM軟件實現；CFD數值計算由FLUENT軟件實現；并驗證設計值是否達到。

這里是第三部分，FLUENT軟件實現泵內流動的數值模擬，并對模擬結果進行分析，驗證設計值是否達到參數要求。

1 讀入網格

先新建個文件夾作為FLUENT的工作目錄，并把之前畫好的三個網格文件fluent_in.msh、fluent_imp.msh、fluent_vol.msh全部拷進去。

打開FLUENT軟件，在Fluent Launcher中設置Dimensions維數選3D三維，因為咱們是三維網格；

Options勾選Double Precision雙精度，現在也沒誰拿單精度Real算了，畢竟單精度計算誤差太大了；

Processiong Options處理器選項，可選Serial單核串行和Parallel多核并行，我這破機子，也只能Serial單核計算了；

在Working Directory工作目錄中指定到剛才新建的文件夾，即可確定FLUENT的工作目錄跟它相關了。

再次確認設置參數后，OK確定打開FLUENT。

讀入網格，File->Read->Mesh，在打開的工作目錄中，可發現有三個剛才放進去的網格文件，先打開fluent_imp.msh葉輪流道網格文件。

讀入完畢后，點左上方Display查看下網格是否正確。

在Mesh Display窗口，可選擇Surfaces中的面來逐個查看是否有錯誤，注意別選int_body_imp，這是內部區域的網格面，選上的話數量非常大，顯示起來極有可能把機子卡死，當然你機子好的話，就當我沒說。

再把進口延長段的網格讀進來，只是這次不能再用read mesh了，要用Setting Up Domain中的Zones中的Append下的Append Case File…，即再附加上另一個區域的方式來讀入新的網格。

選擇fluent_in.msh文件，OK讀入。

同樣的方式，把fluent_vol.msh也添加進來，Display一下看看，確定各個面都是正確的。

2 縮放網格

ICEM輸出的網格長度單位是毫米mm，FLUENT讀入網格的長度單位是m，兩者差了1000倍，所以要進行縮放的操作，不然的話，雷諾數就差了1000倍，結果完全不靠譜了。

Setting Up Domain -> Mesh -> Transform -> Scale…，打開網格縮放窗口。

在Scale Mesh窗口中，選擇Mesh Was Created In網格是用mm毫米創建的，然后點擊Scale來縮放，可看到左上方的區域范圍的值都變小了1000倍，縮放成功，Close關閉Scale Mesh窗口即可。

Setting Up Domain -> Mesh -> Info -> Size，查看網格信息，大概50萬節點不到，個人機還是可以跑跑的。

Mesh SizeLevel Cells Faces Nodes Partitions0 2655266 5375651 476076 13 cell zones, 21 face zones.

Setting Up Domain -> Mesh -> Check，檢查網格，沒有負體積，計算域范圍也縮放正確了，OK。

Domain Extents:x-coordinate: min (m) = -1.900081e-01, max (m) = 7.313037e-01y-coordinate: min (m) = -1.773689e-01, max (m) = 2.250622e-01z-coordinate: min (m) = -2.579141e-01, max (m) = 1.051617e-01Volume statistics:minimum volume (m3): 3.716923e-11maximum volume (m3): 3.629198e-08total volume (m3): 1.217895e-02Face area statistics:minimum face area (m2): 4.020561e-08maximum face area (m2): 3.415682e-05Checking mesh......................... Done.

Setting Up Domain -> Mesh -> Quality，檢查網格質量，質量確實不咋滴，都逼近下限了，咱也就大概算算，不深究了。

Mesh Quality:Minimum Orthogonal Quality = 1.05554e-02 (Orthogonal Quality ranges from 0 to 1, where values close to 0 correspond to low quality.)Maximum Ortho Skew = 9.87453e-01 (Ortho Skew ranges from 0 to 1, where values close to 1 correspond to low quality.)Maximum Aspect Ratio = 3.68410e+02

接下來，基本上照著左側的樹形菜單挨個整下來，就順序地完成了設置、計算和分析工作。

3 一般設置

左欄設置樹，Tree -> Setup -> General，一般設置，保持默認的Pressure-Based壓力基求解器（適用于不可壓縮流動問題，Density-Based密度基求解器則適用于可壓縮問題），Time中保持默認的Steady定常問題（非定常計算會非常消耗資源，這里就是大概算算），Gravity重立項也不予考慮。

左欄設置樹，Tree -> Setup -> Models -> Viscous，打開粘性模型設置，把默認的Laminar層流模型改成k-epsilon(2 eqn) $k??$兩方程湍流模型，該湍流模型的設置保持默認即可，OK。

左欄設置樹，Tree -> Steup -> Materials，設置介質，點開Fluid下面的air，再從Create/Edit Materials中打開Fluent Database…，從Fluent Database Materials中選擇water-liquid (h2o<l>)，Copy到當前介質中，Close關閉Fluent Database Materials窗口，檢查Create/Edit Materials窗口中是否改成了water水，注意水的密度是998.2 kg/m3，單擊Change/Create確認更改，Close關閉Crete/Edit Materials窗口，看到Materials中Fluid下多了個water-liquid。

4 區域設置

該算例一共有三個區域，進口延伸段、葉輪流道、蝸殼流道，咱們要把進口延伸段和蝸殼流道定義成靜止區域，而把葉輪流道定義成旋轉區域，在區域設置中完成，同時還要指定區域中的流體介質。

左欄設置樹，Tree -> Setup -> Cell Zone Conditions，設置區域條件，雙擊body_in設置進口延伸區域，把Material Name從默認的air空氣改成wate-liquid液態水，其余默認不做任何勾選和修改，OK，表明該區域是靜止區域，且內部介質是液態水。

同樣設置body_vol蝸殼流道區域，其設置和body_in區域一樣。

重頭戲來了，設置葉輪區域，雙擊body_imp，打開設置窗口，Material Name同樣把air改成water-liquid，勾選Frame Motion運動參考系，Rotation-Axis Origin旋轉軸心為坐標原點默認不動，Rotation-Axis Direction旋轉軸方向默認z軸也不更改，Rotational Velocity旋轉速度改為-2900rpm，負號表示它是繞z軸順時針旋轉的，（旋轉單位默認是rad/s，可以在最上端的Setting Up Domain -> Mesh -> Units中將angular-velocity的單位Units從rad/s改為rpm），Translational Velocity平動速度保持默認的0就好，咱們這只有轉動，沒有平動。檢查無誤后OK確認。

5 邊界設置

上一步設置的是區域條件，接下來設置邊界的條件。

左欄設置樹，Tree -> Setup -> Boundary Conditions，設置邊界條件。

5.1 旋轉壁面邊界

雙擊imp_blade_leading，設置葉片前緣面的邊界條件。

將Wall Motion壁面運動類型從Stationary Wall靜止壁面改為Moving Wall運動壁面；

Motion運動類型保持默認的Relative to Adjacent Cell Zone相對于鄰近的單元區域，即給定的是其相對于其所屬的區域的運動（相對運動），它的Adjacent Cell Zone鄰近區域在最上面第2行已經給你標出來了是body_imp葉輪流道區域，運動類型把默認的Translational平動改成Rotational旋轉運動，轉速Speed中保持默認的0，轉軸中心和轉軸依舊分別是原點和z軸。

Shear Conditions剪切條件默認的No Slip無滑移壁面。

OK確定設置。

經過這么一番折騰，就使得葉片的前緣面相對于葉輪流道區域做轉速是0的相對旋轉運動，換句話說，葉片此時和葉輪流道一樣做的是-2900rpm的絕對旋轉運動。

如果不做這個設置，那么葉輪前緣是固定不動的壁面，這和實際情況是不符的。

同樣的，葉輪流道區域的葉片其他面、前后蓋板也要設置成這種相對轉速是0的運動壁面，如果一個個設置就太麻煩了，好在可以直接Copy的。

看到下面那個Copy…了么，點開來，在Copy Conditions窗口中，左邊選剛才設好的imp_blade_leading邊界，右邊選擇imp_blade_pressure、imp_blade_suction、imp_blade_tip、imp_blade_hub、imp_blade_shroud邊界，然后點最下面Copy完成復制邊界條件的操作。

如果不放心，再點開來看看它們設好了沒有吧。

5.2 無滑移壁面設置

還記得畫網格的時候講的葉輪流道前后蓋板延伸的環面，以及蝸殼進口部分的側向延伸環面和徑向環面么？它們應該如何設置呢？

實際上，它們也屬于壁面，即限制流體不能穿透，但是它們又不能給流體施加任何的切向力，所以，把它們設置成剪切力是零的滑移壁面就可以了，當然，葉輪流道前后蓋板的延伸面可以定義成是旋轉面，也可以定義成是靜止面，沒有影響，因為它們壓根就不會產生剪切應力，也就不會對流體施加切向載荷的影響了。

只需要把Shear Condition剪切條件從No Slip無滑移改成Specified Shear指定剪切，同時保持Shear Stress剪切力為0，就可以了。

imp_ext_hub和imp_ext_shroud葉輪前后蓋板延伸環面的設置如下。

vol_ext和vol_side蝸殼流道進口周向延伸面和徑向延伸面的設置：

5.3 靜止壁面

進口延伸段的外壁面，蝸殼的壁面都是靜止壁面，保持默認的靜止壁面和無滑移條件設置就好。

in_walls和vol_wall的設置。

5.4 動靜交界面設置和匹配

進口延伸段的出口面，與，葉輪進口面，前者靜止，后者運動，屬于內部的動靜交界面。

葉輪出口面，與，蝸殼進口面，前者運動，后者靜止，屬于內部的動靜交界面。

先指定這四個面的類型為交界面。

先選中in_outlet進口延伸段的出口面，然后從Type類型中下來選擇interface交界面并單擊確認，它會讓你重命名，保持默認名字就好，OK確認，就把in_outlet面的類型從wall壁面修改成了interface交界面。

同樣的方法，把vol_inlet蝸殼進口面、imp_inlet葉輪進口面、imp_outlet葉輪出口面也設置成interface交界面類型。

雖然設好了它們是交界面，但是并沒有將它們匹配起來啊，好辦。

是不是設置樹，Tree中Setup中多了一個Mesh Interfaces網格界面的選項啊，沒錯，就是它了，單擊Create/Edit…打開交界面匹配創建窗口。

在Create/Edit Mesh Interface窗口中，Mesh Interface中輸入名字“in_2_imp”表示進口段到葉輪段的交界面，在Interface Zone Side 1中選擇第一個交界面in_outlet，在Interface Zone Side 2中選擇第二個交界面imp_inlet，單擊最下面Create創建，這樣便將進口段出口和葉輪段進口匹配為了一對交界面。

同樣創建另一個名為"imp_2_vol"葉輪到蝸殼的交界面，把imp_outlet和vol_inlet配對即可。

設置好后，Close關閉Create/Edit Mesh Interface窗口。

5.5 進出口邊界條件設置

只剩下兩個邊界面，in_inlet進口段的進口面和vol_outlet蝸殼流道的出口面了，這兩個面也對應著整個計算域的進口邊界和出口邊界。

通常是把進口指定總壓，出口指定流量。進口總壓比較好理解，比如接個大氣管道什么的，那就是大氣壓了對吧，出口流量有點費解，其實出口一般接了一堆亂七八糟的管道，那么會有阻力什么的，而做實驗的時候呢，會用個節流閥什么的去調節出口流量，也就是說，出口流量實際上是由使用場所或者人為來調節的，所以是可以直接指定的（當然了，如果指定一個非常高的不切實際的流量，那么算出來的結果也是不符合物理意義的），我們指定了這個流量，再去看能否達到所需要的揚程就可以了，就跟自來水龍頭，可以調節流量是一樣的道理了。

將in_inlet的類型從wall改成pressure-inlet壓力進口，設置其Guage Total Pressure總壓為0（這個是相對表壓），Supersonic/Initial Gauge Pressure初始靜壓為0（只是初始值而已，一旦計算過程中，這個面上有了速度，那么會把速度的動壓減去來計算靜壓值，最終是保證動壓和靜壓加起來的總壓值是0就OK了，所以算起來之后靜壓會成負值的，表明是進口存在負壓差）。

Turbulence湍流模型的設置中，將設置方式改為Intensity and Hydraulic Diameter湍流強度和水力直徑，湍流強度給成5%（湍流度中等），水力直徑給成0.1259m，即進口管道的直徑即可。

OK確定。

將vol_outlet的類型從wall改成velocity-inlet速度進口（沒辦法，這里沒有流量出口，也沒有速度出口，就用速度進口，把速度指定成負值來給流量算了，效果是一樣的）。

先得算下速度值是多少，出口圓截面的直徑為102.46mm，面積是$\pi d^2/4=0.00824515m^2$，泵的設計流量是$200m^3/h=0.0555556m^3/s$，出口速度應該是$0.0555556/0.00824515=6.737967m/s$，別忘了加負號。

即把Velocity Magnitude速度幅值設為-6.737967m/s，初始背壓設為0Pa，這個初始背壓同樣只是初始值，會在計算過程中自動做調整的。

湍流度同樣用強度和水力直徑給定，湍流強度指定為10%（出口一般湍流會更強烈一些的，10%依舊是中等湍流度并不是特別大），水力直徑為0.10246m為管道直徑。

OK確定。

至此，設置樹的Setup部分就設置完了。

6 求解設置和迭代求解

設置樹，Tree -> Solution -> Solution Methods，保持默認求解方法即可。

設置樹，Tree -> Solution -> Solution Controls，保持默認松弛因子即可。

設置樹，Tree -> Solution -> Monitors監視器，Edit…打開設置。

把所有項的絕對殘差都從0.001改為0.00001（我其實也沒指望它能收斂到這么高的水平，只是改著玩玩罷了），OK確認。

設置樹，Tree -> Solution -> Solution Initialization初始化。

選擇Standard Initialization，Compute from選擇in_inlet，用進口值來做初始化，單擊Initialize完成初始化。

計算前，先保存下設置文件，File -> Write -> Case…，命名，保存。

設置樹，Tree -> Solution -> Run Calculation開始計算。

在Number of Iterations中輸入迭代步3000步，先跑3000步看看效果，如果收斂得不理想，再來幾千步看看。

單擊Calculate開始迭代計算。

拼機子的時刻到了……漫長的等待過程……

7 后處理

先看下殘差曲線，基本上殘差已經水平，不會再往下降了，姑且認為計算結束了吧，實際上，除非網格畫的非常精巧，設置得非常正確，問題非常簡單，才有可能讓殘差收斂到非常小的狀態……而咱們用這么渣渣的網格和模型，能收斂成這樣已經是謝天謝地了。

計算完成后，可以做切面或者在已有面上查看各種壓力、速度云圖，可以查看流線……

但是咱們最關心的是泵的性能如何，即，如何獲取其揚程、功率、效率等外特性。

7.1 揚程計算

泵的揚程 = (出口總壓 - 進口總壓) / (介質密度 * 重力加速度值) + 進出口高度差，數學表達式為：
$$H=\frac{p_{out}?p_{in}}{\rho g}+\Delta z$$
左欄設置樹，Tree -> Results -> Reports -> Surface Integrals，打開Surface Integrals邊界面的相關量輸出設置窗口。

在Surface Integrals窗口中，選擇Report Type報告類型為Area-Weighted Average即面加權平均型，Field Variable場變量選擇Pressure壓力和Total Pressure總壓，Surfaces面則選擇in_inlet和vol_outlet，即整體計算域的進口面和出口面，來計算這兩個面上的平均總壓值。單擊下方的Compute讓其計算。

在窗口中有如下輸出信息

Area-Weighted AverageTotal Pressure (pascal) -------------------------------- --------------------vol_outlet 877535.16in_inlet 0---------------- --------------------Net 350022.7

跟設置的和預想中的一樣，進口的總壓值是$0Pa$，出口的總壓值是$877535.16Pa$，進出口的高度差$\Delta z=0.7313m$，這個跟泵相關。考慮到水的密度為$\rho =998.2kg/m^3$，重力加速度為$g=9.8kg/m^2$，按揚程計算公式可得
$$\begin{array}{rl}H& =\frac{p_{out}?p_{in}}{\rho g}+\Delta z\\ & =\frac{877535.16?0}{998.2\times 9.8}+0.7313\\ & =90.44m\end{array}$$

設計值是84m，算出來居然高達90.44m，我自己都不相信，顯然，這么粗糙的計算未必靠譜，好在兩者量級還是比較接近的。

7.2 功率和水力效率計算

泵的輸入功率，應該等于葉片所有壁面的扭矩與轉動角速度的乘積，即
$$P=T\omega$$
$\omega$根據轉速$2900rpm$很容易就能算出來，扭矩是要讓FLUENT也來report一下的。

左欄設置樹，Tree -> Results -> Reports -> Forces，打開Forces Reports力的相關量輸出設置窗口。

在Force Reports窗口中，Options選項設置為Moments力矩，Moment Center力矩中心設為原點$(0,0,0)$，Moment Axis力矩轉軸設為$z$軸，Wall Zones壁面區域中選擇葉輪的所有壁面，即imp_blade_leading、imp_blade_pressure、imp_blade_suction、imp_blad_tip、imp_hub、imp_shroud，單擊下方Print輸出。

窗口中有如下輸出信息。

整體的轉矩為$T=181.33732Nm$，算得其輸入功率為
$$P=T\omega =Tn\pi /30=181.33732\times 2900\times \pi /30=55069.839w=55.070kw$$

泵的有效功率為
$$P_e=\rho gQH=998.2\times 9.8\times (200/3600)\times 90.44=49150.924w=49.151kw$$

那么泵的水力效率為
$$\eta =P_e/P=49.151/55.070=89.25\%$$

當然，也可以繼續設置不同的出口流速（出口流量$Q$），從而算得泵在不同流量下的揚程、功率、效率，繪制出泵的性能曲線來。

8 后話

至此，基于商業軟件的離心泵的水力設計、網格劃分、數值計算、性能分析就講完了，這里只是簡單粗暴地走了一遍，并沒有對結果的可靠性做任何驗證工作。

網格劃分部分用的是最簡單最粗糙的非結構均勻網格，數值模擬部分用的也是最常規最普通的湍流模型，結果未必準確，僅供參考。

網格若想劃分的漂亮，可能要用到邊界層+非結構網格，或者分塊結構化網格，或者嵌套網格等方法，需要耗費較大的精力去折騰；而流場若想算得準確，可能要用到大渦模擬湍流模型，非定常數值計算，這已經遠遠超出了個人機的承受范圍……還有，實話實說，這么高端的操作我是不會的，哈哈。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的离心泵CAE_3_FLUENT数值模拟的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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