二维离心泵流动模拟上机指导书fluent.docx

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二维离心泵流动模拟上机指导书fluent

实验十一二维离心泵流动模拟

一、实验目的

二、实验原理

研究如图所示的二维离心泵，该泵由旋转的叶轮和静止的蜗壳两部分构成。

流体从叶轮中央的圆形进口沿径向均匀进入叶轮，经过旋转的叶片作用后，得到能量，从蜗壳出口排出。

已知叶轮的叶片数为6，叶轮进、出口直径分别为120mm和220mm，叶片进口安放角（叶片与圆周方向夹角）和出口安放角分别为

和

，叶片厚度为3mm。

蜗壳隔舌角

（叶轮中心至蜗壳螺旋线起点的连线与水平夹角）为

，出口段扩散角为

。

图表1二维离心泵示意图图表2UGNX所绘二维离心泵

三、实验步骤

1、利用Gambit对计算区域离散化和指定边界条件类型

步骤1：

导入几何模型

生成几何模型的方式有许多种，如Autocad，Pro/E，UGNX等，Gambit也自带简单的绘图功能，在这里UGNX绘图。

如下图，我们将会给出绘图文件。

在UGNX绘完图后，需将结果导出以便Gambit使用，这里导出为Parasolid，生成后缀名为x_t的文件。

因为有视频教程，在这里主要写一下主要内容：

在Gambit中选择File/Import/Parasolid命令，选取先前生成的文件11.x_t，则二维离心泵模型被装入到Gambit。

结果如图：

图表3导入到Gambit的二维离心泵几何模型

步骤2：

网格划分

为了对几何区域划分网格，单击Operation/Mesh/Face/MeshFace按钮，弹出如图所示的MeshFaces对话框。

在Faces列表框中选取蜗壳区域，在Elements列表框中选择Tri（三角形单元），在Type列表框中选拌Pave（非结构网格），选中Scheme命令组中的Apply复选框，然后，从Spacing区域的列表框中选择IntervalSize（指定网格间隔），在文本框中输入10，选中该区域中的Apply复选框，最后选中Options区域中的Mesh复选框，单击Apply按钮，则生成蜗壳内流体区域的网格。

图表4MeshFaces对话框

重复上述命令，从Faces列表框中选取叶轮区域，在Spacing文木框中输入“8"，则可生成转轮内流体区域网格。

离心泵的网格结果如图所示。

图表5二维离心泵网格

步骤3：

边界条件类型的指定

（1）指定边界类型

单击Operation/Zones/SpecifyBoundaryTypes按钮，弹出SpecifyBoundaryTypes对话框在对话框中，进行如下操作：

●将Type栏选为Velocity_inlet，在Entity栏选取Edges，并选中叶轮进口圆作进口边界。

●将Type栏选为Outflow，在Entity栏选取Edges，并选中涡壳出口边作为出口边界。

●将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中组成6个叶片的所有边作为壁面边界1.

●将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中叶轮出口作为壁面边界2（该壁面将在FLUENT的边界条件的指定中改为interior类型）。

●将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中除出口边外的组成涡壳的所有边，作为壁面边界3。

图表6SpecifyBoundaryTypes对话框图表7SpecifyContinuumTypes对话框

（2）设定区域类型

单击Operation/Zones/SpecifyContinuumTypes按钮。

弹出SpecifyContinuumTypes对话框，该对话框用于指定区域类。

●在Type栏选择FLUID，在Entity栏选择Faces，并选中代表叶轮流体的面作为流动区域1。

在确认对话框域上方的Add复选框选中的前提下，单击Apply按钮。

●在Type栏选择FLUID，在Entity栏选择Faces，并选中代表涡壳流体的面作为流动区域2。

最后，选择File/Export/Mesh命令，给定文件名（如11.msh），并选中Export2DMesh复选框，可将上述网格存盘。

2.利用Fluent求解器进行求解

步骤1：

网格文件的读入、检查及显示等

选择File→Read→Case将网格导入，选择Display→Grid，显示网格，如图：

图表8Fluent中的网格显示

选择File→Check对网格文件进行检查，这里要注意最小的网格体积（minimumvolume）值一定要大于0。

网格按比例缩放。

在GAMBIT'中，生成网格使用的单位是mm，在FLUENT中默认单位是m，需要缩放。

为此，选择Grid/Scale命令，在弹出的ScaleGrid对话框中，在GridWasCreatedIn下拉菜单中，选取mm，然后单击Scale按钮。

选择角速度单位。

这主要是为了后续定义转动参考系作准备。

为此，选择Define/units命令，在打开的SetUnits对话框的Quantities下拉列表中选择angular-velocity，在Units下拉列表中选择rpm。

步骤2：

选择计算模型

按下述过程选择求解器的格式与计算模型，并设置运行环境:

（1）选择求解器。

选择Define/Models/Solver命令，弹出图所示的Solver对话框。

在Salver选项组中选择Segregated（分离式求解器），在Space选项组中选择2D（二维问题），在Time选项组中选择Steady（稳态流动），其他用默认值。

（2）设置运行环境。

选择Define/OperatingConditions命令，弹出图7.G所示的OperatingConditions对话框。

保持FLUENT默认的参考压力值（一个标准大气压）和零参考压力的位置，选中Gravity复选框，表示计及秉力，并在Y一栏输入“-9.81"。

（4）设置湍流模型。

选择Define/Models/Viscous命令，弹出ViscousModel对话框，如图所示。

保留图所示的默认设置，即表示选择标准k-ε模型，模型的系数均用默认值。

步骤3：

定义物理性质

本例中流动介质为水，FLUENT材料数据库中已包含waterliquid这一介质，因此，直接复制即可。

为此，选择Define/Materials命令，弹出Materials对话框，单击Database按钮，打开FLUENT材料数据库，在新对话框的FluidMaterials下拉列表中选择wafer-1iquid，单击Copy按钮。

单击Close按钮关闭Materials对话枢。

步骤4：

设置边界条件

拉下述过程设置边界条件：

（1）将两个流体区域的交界面从wall改为interior类型。

FLUENT将弹出一个提示框，点击Yes按钮，FLUENT会自动将wall面和其shadow面合并为interior类型。

（2）内部区域定义转动参考系。

为此，选择Define/BoundaryConditions命令，打开BoundaryConditions对话框，然后按下述过程操作：

在MaterialName下拉列表中，选择Water-liquid，保持Rotation-Axisorigin的默认值（0,0）,该点为旋转区域圆形边界的曲率中心。

在MotionType下拉列表中，选择MovingReferenceFrame，下拉滚动条，将RotationalVelocity设为-1470rprn。

单击OK按钮关闭对话框。

（3）按类似办法，为另一个Fluid区域（外部的）选择流动介质为Water-liquid，其他参数使用默认值。

注意该区域不是转动参考系。

（4）设置进口边界。

将进日Inlet设为velocity-inlet（速度进口边界条件），在VelocityInlet对话框的VelocityMagnitude文本框中输入“2.2”m/s（取自已知条件）。

（5）设置出口边界。

将出口Outlet设为Outflow（出流边界条件），参数使用默认值。

（6）定义代表叶片的壁血区域相对于转动流体区域的转动速度（注意内部流体区域被指定为转动参考系）。

为此，按下述过程进行：

①在BoundaryConditions对话框中单击wall_1然后单击Set按钮，启动Wall对话框。

②在Momenturn选项中，选中MovingWall。

展开后的对话框将显示运动参数。

③在Motion选项组中，选择RelativetoAdjacentCelldone和Rotationalo

④将速度（相对值）Speed设为0rad/s，即叶片壁而相对于fluid转动区域的速度为完成后，转动轴的原点（Rotation-Axisorigin）将位于（0，0），这样，叶片将随周围流体起同速转动。

步骤5：

求解设置

过程如下:

（1）选择求解控制参数。

选择Solve/Controls/Solution命令，弹出SolutionControls对话框。

在Discretization选项组中，对速度与速度与压力祸合方式，选择SIMPLEC，对Momentum（动量）.TurbulenceKineticEnergy（湍动能）和TurbulenceDissipationRate（耗散率），均选择SecondorderUpwind（二阶迎风各式），其余用默认值。

（2）启动绘制残差功能。

选择Solve/Monitors/Residual命令，弹出residualMonitors对话框。

在options选项组中，选中Plot复选框，其余用默认值。

（3）用进口的流动初始条件初始化整个流场的解。

选择Solve/Initialize/Initialize命令，弹出SolutionInitialization对话框。

在ComputeFrom下拉中选择inlet，在ReferenceFrame组合框中，选择Absolute。

（4）保存设置文件。

选择File/Write/base命令，将当前设置保存到案例文件。

（5）启动迭代计算。

选择Solve/Iterate命令，弹出Iterate对话框，设置迭代次数为400，其余用默认值。

单击Iterate，迭代开始。

步骤6：

保存结果

选择File→Write→Case&Data，保存所有的设置和所有的数据。

七、实验结果处理

（1）显示压力等值线。

通过Display:

Contours命令，打开Contours对话框如下：

（2）显示速度矢量图。

通过Display:

Vectors命令，

（3）显示湍流强度等值线图：

通过Display:

Vectors命令