本算例使用的軟件：fluent、icem、cfd-post
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1、學會離心泵基本仿真流程
2、周期性網格設置
3、旋轉機械MRF方法設置
4、通用旋轉機械cfd-post后處理
思考問題：
本算例中SA湍流模型為什么選擇增強壁面函數而不是標准壁面函數？
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目 錄
1.摘要
2.離心泵模型介紹
3.前處理
4.求解設置
4.1啟動Fluent
4.2讀入文件
4.3定義求解器
4.4模型設置
4.5添加材料
4.6設置區域條件
4.7邊界條件設置
4.8求解方法設置
4.9流場初始化
4.10求解
5.后處理
5.1啟動Fluent
5.2收斂殘差曲線
5.3進出口流量計算
5.4定義旋轉機械拓撲結構
5.5定義Iso Surface
5.6顯示壓力雲圖
5.7顯示整體模型
5.8顯示速度矢量圖
5.9顯示跡線圖
1. 摘要
離心泵是各種泵中最主要類型，具有很多優點例如:轉速高、體積小、重量輕、流量大、結構簡單、性能平穩、容易操作和維修等優點，在給排水還有農業產業、固體顆粒的液體運輸產業、石油還有化學工業、航空航天與航海產業、能源產業和車輛工業等國民經濟建設的每個產業領域都有非常廣泛的應用。隨着新興產業的興起比如信息、生命和海洋等產業的出現，離心泵會有更加廣闊的發展前景。
2. 離心泵模型介紹
本案例所模擬的是一種離心泵的流場分析。圖1是三維模型示意圖，葉輪的進口直徑為94mm，進口軸孔直徑為28mm，葉輪出口直徑為220mm，出口寬度為15mm，轉速為2900r/min，揚程為50m，設計流量為60m3/h。
圖1 模型示意圖
3. 前處理
由於葉輪具有周期性，考慮節省計算資源，葉輪內部流場計算采用單流道周期性邊界模型，在ICEM CFD中划分網格。將模型邊界分別命名為進口inlet、出口outlet、輪轂面hub，機匣面shroud，周期性邊界periodic，葉片blade，如圖2所示。
將ICEM CFD划分完成的網格導出，存為pump.msh文件。
圖2 網格划分示意圖
4. 求解設置
4.1 啟動Fluent
雙擊Fluent，將Dimension修改為3D，如圖3所示。
圖3 Fluent 啟動界面
4.2 讀入文件
在FLUENT主界面中，單擊主菜單中【File】→【Read】→【Mesh】，彈出如圖所示的Select File對話框，選擇擴展名為pump.msh的網格文件，單擊OK按鈕便可以導入網格。
點擊【General】→【check】，檢查網格質量，確保不存在負體積,檢查結果如圖4所示。
圖4 檢查結果
4.3 定義求解器
點擊模型樹中的【General】,在面板中,Time類型選擇Steady，設置如圖5所示。
圖5 總體模型設定面板
4.4 模型設置
打開模型樹中的【Model】→【Viscous】選擇Spalart-Allmaras模型，設置如圖6所示。
圖6 Model設置
4.5 添加材料
雙擊模型樹中的【Materials】, 按照圖7依次進行操作。雙擊air材料，在彈出的對話框右側選擇【Fluent database】，在Fluent Database Materials對話框中找到water-liquid項，單擊下方copy選項。
圖7 材料添加
4.6 設置區域條件
雙擊模型樹中的【Cell Zone Conditions】。雙擊【body(fluid)】，在彈出的對話框【Materials Name】中選擇water-liquid，選中【Frame Motion】，【Rotation-Axis Direction】為（0，0，1）（繞Z軸旋轉），在【Rotational Velocity】中輸入轉速-2900rpm（右手法則），點擊OK按鈕，設置如圖8所示。
圖8 區域條件設置
4.7 邊界條件設置
雙擊【Boundary Conditions】，編輯【Zone】中的inlet，在下方的TYPE中選擇為velocity-inlet，將Velocity Magnitude數值改為2.77m/s，其余保持默認，如圖9所示。編輯【Zone】中的outlet，在下方的TYPE中選擇pressure outlet，設置出口壓力為450000pa，保持默認，單擊OK，如圖10所示。編輯【Zone】中的blade，在下方的TYPE中選擇wall，雙擊blade，選擇【Wall Motion】為Moving Wall，選擇【Motion】為Relative to Adjacent Cell Zone,選擇運動類型為Rotational，設置【Speed】為0r/min，設置【Rotation-Axis Direction】為（0，0，1）保持默認，單擊OK，如圖11所示。按照與blade相同的方法設置hub邊界（tip：可使用復制邊界命令）。編輯【Zone】中的shroud，在下方的TYPE中選擇wall，雙擊shroud，選擇【Wall Motion】為Moving Wall，選擇【Motion】為Absolute,選擇運動類型為Rotational，設置【Speed】為0r/min，設置【Rotation-Axis Direction】為（0，0，1）保持默認，單擊OK。編輯【Zone】中的periodic1，雙擊periodic1，選擇旋轉周期類型為Rotational，如圖12所示。
圖9 速度入口設置
圖10 壓力出口設置
圖11 隨區域運動的壁面邊界設置
圖12 旋轉周期邊界設置
4.8 求解方法設置
雙擊【Solution Methods】，設置如圖13所示。
圖13 求解方法設置
4.9 流場初始化
雙擊【Initialization】，將默認的Hybrid Initialization改為Standard Initialization，在Compute from對話框中選擇inlet，如圖14所示。
圖14 流場初始化
4.10 求解
雙擊【Monitors】，單擊 Residual，設置收斂精度，如圖15所示。
圖15 收斂精度設置
雙擊【Run Calculation】，單擊Check Case，檢查設置流程。如果有設置偏差 ，會出現相應的提示，本案例出現圖16所示的提示。若設置完全正確，會出現圖17所示對話框。
圖16 需要修改的提示
圖17 完全正確的提示
設置Number of Iterations為1000步，單擊Calculate，開始計算，如圖18所示。
圖18 求解設置
5. 后處理
5.1 啟動Fluent
單擊【File】→【Load Result】，讀取Fluent計算結果，如圖19所示
圖19 讀取Fluent計算結果
5.2 收斂殘差曲線
迭代殘差收斂曲線如圖20所示。
圖20 迭代殘差收斂曲線
5.3 進出口流量計算
單擊主菜單中Report再雙擊Fluxes，在Flux Reports對話框中選擇Mass Flow Rate，Boundaries選擇inlet和outlet,再點擊Compute按鈕計算，如圖21所示。
圖21 進出口流量計算
5.4 定義旋轉機械拓撲結構
單擊菜單欄【Setting Up Domain】-【Turbo Topology】定義透平拓撲，設置Turbo Topology Name為默認值，選擇Boundaries為hub，選擇Surface為hub，依次如表1對應，最后單擊Define按鈕進行拓撲定義，設置如圖22所示。
表1 透平拓撲定義
| Boundaries |
Surfaces |
| Hub |
hub |
| Casing |
shroud |
| Theta Periodic |
Periodic1 |
| Inlet |
inlet |
| Outlet |
outlet |
| Blade |
blade |
圖22 定義透平拓撲
5.5 定義Iso Surface
創建等值子午面：點擊【Surface】-【Creat】-【Iso-Surface】定義等值面。在【Surface of Constant】菜單下選擇【Mesh】和【Meridional Coordinate】，在【Iso-Values】中輸入0.2，在【New Surface Name】中命名為meridional-coordinate-0.2，點擊Create創建完成，用同樣的步驟，定義Iso-Values分別為0.4，0.7，0.8的等值面，如圖23所示。創建等徑圓柱面：點擊【Surface】-【Creat】-【Iso-Surface】定義等值面。在【Surface of Constant】菜單下選擇【Mesh】和【Spanwise Coordinate】，在【Iso-Values】中輸入0.5，在【New Surface Name】中命名為spanwise-coordinate-0.5，點擊Create創建完成，如圖24所示。
圖23 定義等值子午面
圖24 定義等徑圓柱面
5.6 顯示壓力雲圖
單擊，創建等值子午面壓力雲圖，雙擊Contours，在Contours of中選擇Pressure和Static Pressure，在Surfaces中選擇inlet，outlet，meridional-coordinate-0.2，meridional-coordinate-0.4，meridional-coordinate-0.7，meridional-coordinate-0.8，點擊Save/Display，設置如圖25所示，結果如圖26所示。創建等徑圓柱面壓力雲圖步驟與等值子午面相似，不同的是將Surfaces改為spanwise-coordinate-0.5，結果如圖27所示。
圖25 靜壓雲圖顯示設置
圖26 等值子午面壓力雲圖顯示
圖27 等徑圓柱面壓力雲圖顯示
5.7 顯示整體模型
點擊菜單【Display】-【Views】，在彈出的對話框中，單擊【Periodic Repeats
】中的【Define】來定義模型的周期性，設置如圖28所示，結果顯示如29所示。
圖28 周期性定義
圖29 整體模型等徑圓柱面壓力雲圖顯示
5.8 顯示速度矢量圖
單擊，創建速度矢量圖，雙擊Vectors，在Vectors of中選擇Relative Velocity，在Surfaces中選擇spanwise-coordinate-0.5（即等徑圓柱面上），在Scale輸入10，Skip輸入40，點擊Save/Display，設置如圖30所示，結果顯示如圖31所示。
圖30 相對速度矢量圖顯示設置
圖31 等徑圓柱面速度矢量圖顯示
5.9 顯示跡線圖
單擊顯示跡線圖。雙擊Pathlines，在Style欄中選擇line-arrows；單擊Style Attributes，定義Spaceing Factor=20，Scale=0.2，單擊OK按鈕確定；定義Steps=50000，Path Skin=30，在Release From Surface欄中選擇inlet，其余保持默認按鈕，單擊Save/Display按鈕，設置如圖32所示，結果顯示如圖33所示。
圖32 速度跡線圖顯示設置
圖33 速度跡線圖顯示