1、1 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential离心泵叶轮气蚀模拟2 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential摘要在分析泵系统的性能时，气蚀出现会显著影响泵的性能。气蚀是由于局部压力低于当前温度下液体的饱和蒸汽压力，产生的汽化现象。产生气蚀时，管路容易充满气泡，导致泵的性能曲线下降、能耗上升，还会产生振动和噪音，不仅影响泵的使用寿命和可靠性，而且对周边产生噪音污染。因此仿真计算可以帮助设计工程师在产品设计时模拟水泵流量压力变化时的气蚀性能，从而指导工程师通过结构调整提高水泵的抗气蚀性能。本算例使
2、用ANSYS Fluent 19.0软件，对离心泵内部流动进行仿真，文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。通过仿真计算获得泵内流场的形态及气蚀状况。3 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential案例描述本算例仿真对象为一离心泵，包含五个叶片，以2160rpm运作。流体通过进口管路进入到泵中，通过叶轮的做功，使流体最终沿着径向方向流出。仿真中假设流动介质为水，流动为稳态。流体参数如下：液体密度：1000kg/m3液体粘度：0.001Pa s蒸汽密度：0.01927kg/m3蒸汽粘度：8.8E-6Pa s液
3、体饱和蒸汽压力：3540Pa本次计算假设液体以总流量210m3/hr进入进口，计算中将折算成速度入口边界。液体进入进口假设为充分发展的湍流，进口湍流强度为5%。出口边界条件设置为均一的压力出口条件，进口静压取决于出口绝对压力。在当前case中，出口压力设置为500000Pa。4 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.1. 创建工作目录并启动Fluent在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如Cavitation），将网格文件centrif-pump.msh.gz 拷贝至该目录下。启动Fluent 19.0，在Fluent Launch
4、er中，Dimension选择3D，Display Options中勾选Display Mesh After Reading和Workbench Color Scheme，Processing Options选择Serial，设置使用单核计算（用户可以根据现有的硬件资源和License授权酌情选择合适的并行数），更改Working Directory路径至该网格文件目录下，点击OK启动Fluent 19.0。5 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.2. 导入网格文件菜单中点击【File】【Read】【Mesh】，选取网格文件c
5、entrif-pump.msh.gz，点击OK导入网格。此时，图形界面中可以查看导入的网格。6 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.3. General一般设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【General】，进行网格相关的操作以及选择求解器。3.3.1. 缩放网格树中点击【Setup】【General】【Mesh】【Scale】，View Length Unit In选择mm，以毫米为单位查看当前模型的尺寸范围是否正确。7 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidentia
6、l操作步骤3.3.2. 调整转速单位树中点击【Setup】【General】【Units】，在【Set Units】界面下，选择Quantities为angular-velocity，选定右侧Units单位为rpm（即以“转/分”单位显示和设置转速）。8 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.4. Models模型设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Models】，进行物理模型设置。3.4.1. 选择湍流模型树中【Setup】【Models】【Viscous】，鼠标左键双击Viscous，Model中选择k-epsi
7、lon，k-epsilon Model中选择Standard，Near-Wall Treatment中选择Standard Wall Functions，点击OK完成设置。9 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.4.2. 混合多相流模型设置树中【Setup】【Models】【Multiphase】，鼠标左键双击Multiphase，Model中选择Mixture，去选Slip Velocity 1。保持Number of Eulerian Phases中数值为2，点击OK完成设置。 1当第二相相比起第一相密度小很多时，可以不考
8、虑滑移速度。10 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.5. Materials材料设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Materials】，进行材料物性设置。3.5.1. 定义液态水属性在Materials的Task Page中选中点击Fluent Database选项按钮，在弹出的Fluent Database Materials对话框中选择water-liquid，点击Copy按钮，将液态水参数拷贝至Materials下。11 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confiden
9、tial操作步骤回到Create/Edit Materials，在Properties下设置Density(kg/m3)值为1000，设置Viscosity(kg/m-s)值为0.001。点击Change/Create选项。3.5.2. 定义水蒸气属性在Materials的Task Page中选中点击Fluent Database选项按钮，在弹出的Fluent Database Materials对话框中选择water-vapor，点击Copy按钮，将水蒸气参数拷贝至Materials下。12 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤
10、回到Create/Edit Materials，在Properties下设置Density(kg/m3)值为0.01927，设置Viscosity(kg/m-s)值为8.8e-6。点击Change/Create选项。13 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.6. 混合相定义在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Models】【Phases】，进行混合项定义。选择phase-1 Primary Phase，点击Edit，在Phase Material选择water-liquid，点击OK确认设置。14 2018 ANSYS
11、, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤选择phase-2 Primary Phase，点击Edit，在Phase Material选择water-vapor，点击OK确认设置。回到Phases面板，点击Interaction，在弹出的Phase Interaction面板中，设置Number of Mass Transfer Mechanisms为1，选择Mass Transfer栏下的To Phase为phase-2，设置Mechanism为cavitation。15 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confide
12、ntial操作步骤设置空化模型后，弹出空化模型设置窗口。选择Model为Schnerr-Sauer，Cavitation Properties下Vaporization Pressure设置为3540 pascal，点击OK确认设置。16 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.7. Cell Zone Conditions设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Cell Zone Conditions】，进行体网格区域条件的设置。在Cell Zone Conditions的Task Page中点击Operating Co
13、nditions，选择Operating Pressure为0 pascal，点击OK确认。17 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤在Cell Zone Conditions的Task Page中选中fluid点击【Edit】，在弹出的Fluid窗口中，勾选Frame Motion，在Reference Frame标签栏下选择Rotation-Axis Direction为0,0,1。（Fluent中转动方向按照右手定则定义，Z=1代表绕z轴正方向旋转。）在Rotational Velocity中输入Speed值为2160 rp
14、m。点击OK退出Fluid设置对话框。18 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.8. Boundary Conditions设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Boundary Conditions】，进行边界条件的设置。19 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.8.1. 定义速度进口边界条件在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键单击选中inlet，点击【Edit】，弹出Velocity Inlet窗口，Momen
15、tum选项卡中设置Direction Specification Method为Magnitude，Normal to Boundary，设置Velocity Magnitude为7.0455m/s，设置Supersonic/Initial Gauge Pressure为450000。设置Turbulence 下Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，在Turbulent Intensity为5%，Hydraulic Diameter为103mm。点击OK完成设置。20 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022
16、ANSYS Confidential操作步骤回到Boundary Conditions的Task Page中，保持选中inlet，切换Phase中的phase-2，点击【Edit】。在打开的对话框中Multiphase标签栏下设置Volume Fraction为0。点击OK确认设置。21 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.8.2. 定义出口边界条件在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键单击选中pressure-outlet-stator，确认其Type是pressure-outlet，如果不
17、是，从Type的下拉菜单中切换选择。确认将Phase项设置调整为mixture，点击【Edit】，弹出Pressure Outlet窗口，在Momentum选项卡中，Gauge Pressure设置为450000。点击OK完成设置。回到Boundary Conditions的Task Page中，保持选中outlet，切换Phase中的phase-2，点击【Edit】。22 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤在打开的对话框中Multiphase标签栏下设置Backflow Volume Fraction为0。点击OK确认设置。2
18、3 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.8.3. 周期边界条件设置在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键单击选中periodic.10，确认Phase项为mixture，点击【Edit】，弹出Periodic窗口，设置Periodic Type为Rotational。点击OK确认设置。同理，将periodic.11边界设置成同样的旋转周期类型。24 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.8.1. 定义壁面边界条件1. 定义出口轮
19、毂、机匣及进口机匣边界（hub-outer、shroud-outer、inlet-shroud），这三个边界由于在物理上不旋转，因此需要将其定义为静止运动边界。在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键单击选中hub-outer，确认其Type是wall，如果不是，从Type的下拉菜单中切换选择。点击【Edit】，弹出Wall窗口，在Momentum选项卡中，选择Wall Motion为Moving Wall，选择Motion为Absolute，Rotational，Speed设置为0rpm，点击OK完成设定。25 2018 ANSYS, Inc.June 3,
20、2022ANSYS Confidential操作步骤回到Boundary Conditions的Task Page中，点击Copy打开Copy Conditions设置窗口，在From Boundary Zone中选择hub-outer，在To Boundary Zones中选择inlet-shroud、shroud-outer，点击Copy完成复制边界设置。2.定义转子轮毂、机匣及叶片边界（hub、shroud、blade），这三个边界由于是随着转动部件，因此需要设置为旋转边界。在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键单击选中blade，确认其Type是wal
21、l，如果不是，从Type的下拉菜单中切换选择。点击【Edit】，弹出Wall窗口，在Momentum选项卡中，选择Wall Motion为Moving Wall，选择Motion为Relative to Adjacent Cell Zone，Rotational，Speed设置为0rpm，点击OK完成设定。26 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤回到Boundary Conditions的Task Page中，点击Copy打开Copy Conditions设置窗口，在From Boundary Zone中选择blade，在To
22、Boundary Zones中选择hub、shroud，点击Copy完成复制边界设置。27 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.9. Solution Methods求解方法设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】【Methods】，进行求解方法的设置。设置的Scheme为Coupled，设置Spatial Discretization中的Gradient为Least Squares Cell Based，Pressure为PRESTO!，Momentum为Second Order Upwind，其余为First
23、Order Upwind。28 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】【Controls】，进行松弛因子的设置。选择Under-Relaxation Factors下Turbulent Kinetic Energy为0.5，Turbulent Dissipation Rate为0.5，Turbulent Viscosity为0.1。29 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.9.1. 流场域内出口流量监视设置树中【Sol
24、ution】【Monitors】【Report Plots】，鼠标左键点击New，进行自定义物理量的监视设置。在弹出的New Report Plot窗口中，点击New，选择Surface Monitor Area-Weighted Average，并同时在Surface选项栏中选择进口面inlet，勾选Report Plot和Print to Console，点击OK。回到New Report Plot窗口，点击OK。30 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.10. Initialization初始化树中【Solution】【
25、Initialization】，鼠标左键双击Initialization，在Task Page中确认Initialization Methods选择为Standard Initialization，点击Compute from下拉菜单，选择inlet，点击Initialize按钮进行初始化。31 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.11. Run Calculation运行计算树中【Solution】【Run Calculation】，鼠标左键双击Run Calculation，在Task Page中的Number of It
26、erations输入1500。点击Calculate开始运行计算。运行计算开始后，可以在视图窗口中看到残差曲线和进口平均压力曲线随迭代步数的变化。32 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤33 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤计算进行了364步迭代后弹出Information窗口显示计算已经完成。点击OK完成计算。计算所需要进行的迭代步数由以下三个因素共同决定：1.Convergence Conditions中定义的平均值的监视条件；2.Residual Moni
27、tors中定义的残差曲线的收敛标准；3.Run Calculation中定义的Number of Iterations。以上三个条件任意一个达到满足，计算即停止。当前的计算是因为达到最小残差量级而停止。34 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.12. Post-processing后处理在最左侧的树中，使用【Results】中的相关工具，对计算结果进行后处理。3.12.1. 检查进出口流量平衡树中【Results】【Reports】【Fluxes】，鼠标左键双击Fluxes，弹出Flux Reports窗口。保持默认选项Opt
28、ions中Mass Flow Rate，选择Boundary中inlet、outlet，点击Compute按钮显示这些边界上的流量。在Net Results(kg/s)中计算得到进出口净流量为-0.01997364 kg/s，通常计算域内流入流出差值与总流量的比值小于0.5%可认为质量守恒，此处远小于0.5%可认为本次计算质量流量平衡。35 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.12.2. 显示叶轮、轮毂面上的压力树中【Results】【Graphics】【Contours】，鼠标左键双击Contours，弹出Contours窗
29、口，在Options中勾选Filled，保持Contours of中PressureStatic Pressure选项，在Surfaces对话栏中选择blade、hub，点击Save/Display显示压力分布。36 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.12.3. 在叶轮、轮毂面上显示蒸汽体积分数树中【Results】【Graphics】【Contours】，鼠标左键双击Contours，弹出Contours窗口，在Options中勾选Filled，选择Contours of中PhasesVolume fractionphas
30、e-2选项，在Surfaces对话栏中选择blade、hub，点击Save/Display显示蒸汽体积分数分布。37 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.12.4. 计算进出口平均静压升树中【Results】【Reports】【Surface Integrals】，鼠标左键双击Surface Integrals，弹出Surface Integrals窗口，选择Report Type为Area-Weighted Average，选择Surfaces中inlet和outlet，点击Compute，在Surface窗口下方会显示进出
31、口流量差值。而在Console栏中会显示详细的统计结果。38 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential操作步骤3.12.5. 计算叶轮扭矩树中【Results】【Reports】【Forces】，鼠标左键双击Forces，弹出Force Reports窗口，选择Options为Moments，Moment Center中X,Y,Z为0,0,0，Moment Axis为0,0,1。选择Wall Zones中blade、hub和shroud，点击Print。在Console窗口中会显示选中表面的力矩，包括压力和粘性力矩。39 2018 ANSYS, Inc.June 3, 2022ANSYS Confidential小结 本章内容为水泵气蚀内流动仿真分析实例，详细介绍了网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。通过仿真计算获得水泵内部流场信息及气蚀位置的分布。
