1、1 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential罗茨泵流动仿真分析2 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential摘要本算例将使用ANSYS Fluent 19.0软件，对罗茨泵内流场进行仿真模拟，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Fluent动网格技术实现容积式旋转机械的运动仿真计算。3 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential案例描述本算例仿真的罗茨泵由两个凸轮和一个腔室组成。罗茨转
2、子以600RPM的速度绕着各自的轴心以互相相反的方向转动。流入进口的液体被两齿捕获，逐渐被挤压至出口段，最终从出口排出。4 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.1.导入case设置与结果查看3.1.1.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LobePump），将网格文件lobe-pump.msh.gz，待编译C文件lobe-rotation.c拷贝至该目录下。启动Fluent 19.0，在Fluent Launcher中，Dimension选择3D，Options中勾选Double Precisi
3、on，Display Options中勾选Display Mesh After Reading和Workbench Color Scheme，Processing Options选择Parallel，设置使用双核计算（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.December 7,2022ANSYS 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lobe-pump.msh
4、.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.December 7,2022ANSYS 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.长度单位显示树中点击【Setup】【General】【Mesh】【Scale】，View Length Unit In选择m，以米为单位查看当前模型的尺寸范围是否正确。7 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.3.2.合并
5、进出口流体域菜单栏中【Setting Up Domain】【Zones】【Combine】【Merge】，在弹出的窗口中选择Multiple Types下的fluid，在Zones of Type下选择fluid-inlet和fluid-outlet，点击Merge按钮。8 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤树中选择【Setup】【Cell Zone Conditions】fluid-inlet，双击fluid-inlet，在弹出的窗口中改Zone Name为fluid-inlet-outlet。点击OK确认设置。9 201
6、8 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.3.3.合并进出口交界面菜单栏中【Setting Up Domain】【Zones】【Combine】【Merge】，在弹出的窗口中选择Multiple Types下的interface，在Zones of Type下选择intf-inlet和intf-outlet，点击Merge按钮。树中选择【Setup】【Boundary Conditions】intf-inlet，双击intf-inlet，在弹出的窗口中改Zone Name为intf-inlet-outlet。点击OK确认设置。10 2
7、018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.3.4.瞬态求解设置在【Setup】【General】【Solver】下选择Time为Transient，以瞬态模式求解。11 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS 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。12 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.4.1.湍流模型设置树中【Setup】【M
8、odels】【Viscous】，鼠标左键双击Viscous，Model中选择k-epsilon，k-epsilon Model中选择Realizable，其余设置为默认，点击OK完成设置。13 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS 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。在Materials的Task Page中选中Fluid下的air，点击Create/Edit，在弹出的Create/Edit Materials窗口中，点击窗口中Fluent Dat
9、abase选项，在弹出的对话框中Fluent Fluid Materials下选中water-liquid，点击Copy将水的属性参数复制到材料库中。点击Close退出材料属性库选项框。14 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.6.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。15 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.6.1.操作工况设置在C
10、ell Zone Conditions的Task Page中点击Operating Conditions，确认设置Operating Pressure(pascal)为101325。在Reference Pressure Location下设置XYZ值为0,0,0。点击OK退出Operating Conditions设置对话框。16 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.6.2.流域设置在Cell Zone Conditions的Task Page中选中fluid-core，点击【Edit】，在弹出的Fluid窗口中，Mat
11、erial Name修改为water-liquid，其余设置均为默认值。点击OK关闭对话框。回到Cell Zone Conditions的Task Page中，选择Copy，在弹出的对话窗口中From Cell Zone下选择fluid-core，在To Cell Zones下选择fluid-inlet-outlet，点击Copy。17 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.1.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。
12、18 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.1.1.进口边界条件设置在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键单击选中pressure_inlet，选择Type下拉菜单为pressure-inlet，弹出Pressure Inlet窗口，设置Reference Frame为Absolute，设置Gauge Total Pressure(pascal)为0。在Turbulence选项下的Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，Tu
13、rbulence Intensity设置为5%，Hydraulic Diameter设置为0.05m。19 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.1.2.出口边界条件设置在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键单击选中pressure_outlet，确认其Type是pressure-outlet，如果不是，从Type的下拉菜单中切换选择。点击【Edit】，弹出Pressure Outlet窗口。在Momentum选项卡中设置Gauge Pressure(pascal)为20000，Backfl
14、ow Direction Specification Method为Normal to Boundary。在Turbulence选项下的Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，Turbulence Intensity设置为5%，Hydraulic Diameter设置为0.05m。20 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.1.3.交界面设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Mesh Interfaces】，进入Mesh Interfaces窗口，
15、点击Manual Create进入交界面手动设置界面。在Create/Edit Mesh Interfaces下的Mesh Interface中填入intf，选择Interface Zones Side 1下的intf-housing，选择Interface Zones Side 2下的intf-inlet-outlet，点击Create/Edit创建交界面（进出口域与转子腔室交界面）。21 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.2.动网格设置3.2.1.UDF编译菜单栏中选择【User-Defined】【User-Defi
16、ned】【Functions】【Complied】，打开Compiled UDFs窗口。在Source Files中点击Add按钮，选择lobe-rotation.c文件，点击OK确认。保持Library Name为默认，点击Build按钮进行编译。若编译成功，在Console中会有成功编译的提示。当成功编译后点击面板中的Load按钮，将编译完的文件加载进Fluent中。同样，若成功加载，可以在Console中看到加载成功的信息。22 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.2.2.动网格设置1.树中【Setup】【Dynam
17、ic Mesh】，双击Dynamic Mesh。在Task Page中勾选Dynamic Mesh。勾选Mesh Methods下的Smoothing和Remeshing，点击Settings按钮。在弹出的Mesh Method Settings中Smoothing标签栏下选择Method为Spring/Laplace/Boundary Layer，在Parameters中设置Laplace Node Relaxation为0.75，其余为默认值。23 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤切换至Remeshing标签栏下，在R
18、emeshing Methods下勾选2.5D，在Sizing Function下勾选On选项，在Parameters下设置Size Remeshing Interval为10。点击OK确定设置。24 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤2.回到Task Page中在Dynamic Mesh Zones下点击Create/Edit，进入Dynamic Mesh Zones窗口进行设置。在Zone Names下拉菜单中选择wall-top，Type下设置为Deforming，Geometry Definition标签栏下选择De
19、finition为plane，Point on Plane下设置参数为0,0,0.1(m)，Plane Normal下设置为0,0,1；在Meshing Options标签栏下确认Methods下的Smoothing和Remeshing被勾选，点击Create创建wall-top面的动网格设置。25 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.在Zone Names下拉菜单中选择wall-bottom，Type下设置为Deforming，Geometry Definition标签栏下选择Definition为plane，Point
20、 on Plane下设置参数为0,0,0(m)，Plane Normal下设置为0,0,1；在Meshing Options标签栏下确认Methods的Smoothing被勾选，Remeshing去选，点击Create创建wall-bottom面的动网格设置。26 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤4.在Zone Names下拉菜单中选择lobe-ccw，Type下设置为Rigid Body，Motion Attributes标签栏下选择Motion UDF/Profile为rotation_ccw:libudf，Cente
21、r of Gravity Location下设置参数为0.061,0,0(m)，其余设置为默认，点击Create创建lobe-ccw边界的动网格设置。27 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤5.在Zone Names下拉菜单中选择lobe-cw，Type下设置为Rigid Body，Motion Attributes标签栏下选择Motion UDF/Profile为rotation_cw:libudf，Center of Gravity Location下设置参数为-0.061,0,0(m)，其余设置为默认，点击Create
22、创建lobe-cw边界的动网格设置。28 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤6.预览网格运动，在Task Page中点击Preview Mesh Motion，在弹出的Mesh Motion窗口设置Time Step Size(s)为1.39e-4，点击Apply。无需关闭Mesh Motion窗口。保存case为lobe-pump-ini.cas.gz。在Mesh Motion窗口设置Number of Time Steps为100，点击Preview，可以预览到网格的运动。7.关闭Fluent，注意无需保存当前case，
23、重新读入lobe-pump-ini.cas.gz继续进行设置。29 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.3.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PISO，调整Skewness Correction为0。在Spatial Discretization栏下，修改Gradient为Least Squares Cell Based，设置Pressure为PRESTO!，保持Momentum为Second Order
24、Upwind，Turbulent Kinetic Energy和Dissipation Rate为First Order Upwind。30 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.4.Solution Controls松弛因子设置Under-Relaxation Factors下设置保持默认。31 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.5.Monitors监视设置3.5.1.残差监视设置树中【Solution】【Monitors】【Residual】，鼠标
25、左键双击，确保Plot选项被勾选。设置Equations下continuity的Absolute Criteria值为0.01，默认Iterations to Store为1000。32 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.5.2.进口流量监测树中【Solution】【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 Report Mass Flow Rate，同时在Name中输入massflow-i
26、nlet，勾选Create下Report Plot，选中Wall Zones下的pressure_inlet，点击OK。33 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.6.Initialization初始化树中【Solution】【Initialization】，鼠标左键双击Initialization，在Task Page中确认Initialization Methods选择为Standard Initialization，点击Initialize按钮进行初始化。34 2018 ANSYS,Inc.December 7,202
27、2ANSYS Confidential操作步骤3.7.Calculation Activities设置树中【Results】【Graphics】【Contours】，鼠标左键双击Contours，弹出Contours窗口，在Contours中Options下勾选Filled，选择Contours of下Pressure Static Pressure，选中Surfaces下的Interface和wall组，点击Save/Display显示表面压力云图分布。树中【Solution】【Calculation Activities】【Solution Animations】，双击Solution A
28、nimations，设置Animation Object为contour-1，其余为默认值。计算过程中将以每个时间步作为间隔保存压力分布图。点击OK确认设置。35 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.8.Run Calculation运行计算树中【Solution】【Run Calculation】，鼠标左键双击Run Calculation，在Time Step Size(s)中设置为1.39e-4，Number of Time Steps输入360。点击Calculate开始运行计算。36 2018 ANSYS,Inc
29、.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.9.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。3.9.1.动画显示树中【Results】【Animations】【Solution Animation Playback】，双击Solution Animation Playback，打开Playback对话窗口。在Animation Sequences中选择animation-1，点击Play按钮，可以在窗口中看到压力分布云图随时间的变化。37 2018 ANSYS,Inc.December 7,2
30、022ANSYS Confidential操作步骤3.9.2.创建轴向截面菜单栏【Setting Up Domain】【Surface】【Create】Plane Surface，在弹出的窗口中选择Options为Point and Normal，在Points中选择x0，y0，z0(m)为0,0,0.05，New Surface Name下值输入z=0.05，Normal中输入ix，iy，iz(m)值为0,0,1，点击Create创建轴向高度为0.05m的截面。38 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.9.3.在截面上显
31、示压力云图树中【Results】【Graphics】【Contours】，鼠标左键双击Contours，弹出Contours窗口，在Contours中Options下勾选Filled，选择Contours of下Pressure Static Pressure，选中Surfaces下的z=0.05，点击Save/Display显示截面压力云图分布。39 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential操作步骤3.9.4.在截面上显示速度矢量图树中【Results】【Graphics】【Vectors】，鼠标左键双击Vectors，弹出Vectors窗口，选择Vectors of为Velocity，Color by中选择Velocity Velocity Magnitude，在Surfaces中选中z=0.05，Scale下数值改为2，点击Save/Display显示截面速度矢量分布。40 2018 ANSYS,Inc.December 7,2022ANSYS Confidential小结 本章内容为罗茨泵内流场仿真分析实例，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UDF定义叶轮转动，采用动网格技术实现流场域内网格的变形和重构。
