轴流泵定常、非定常数值模拟
轴流泵定常、非定常数值模拟1网格划分1.1. 叶轮[1] 在NX中，【文件(F)】→【导出(E)】→STEP203，将水体转成.stp格式。
[2] 打开ICEM CFD，【File】→【Change working directory】，选择工作目录。
[3] 【File】→【Import Geometry】→【STEP/IGES】，导入几何体，【Apply】如图4-6-1。
图4-6-1 导入几何图4-6-2 划分part[4] 【Geometry】→【Repair Geometry】，，【Apply】。
若均为红线则实体拓扑结构完整。
[5] 为了便于后面的网格划分和后续的CFD设置，将叶轮水体的不同部位设为不同的“part”，如图4-6-2。
[6] 【Creat Body】，点击“2 screen location”后的鼠标箭头，在体上选择两点，要求这两点的连线都在体内，如图4-6-3。
点1点2单击图4-6-3 生成BODY[7] 【Mesh 】→【Global Mesh Setup】进行全局网格设置，“Scale factor”：1.0，“Max element”:10.0，【Apply】。
a·ii·b图4-6-4 全局网格设置[8] 【Mesh】→【Part Mesh Setup】，进行局部网格加密。
如图5，设置max size，CKB（出口边）：0.5，JKB（进口边）：0.5，KT（壳体）：4，LG（轮毂）：4，YLCK（叶轮出口截面）：4，YLJK（叶轮出口截面）：4，YP（叶片）：2。
图4-6-5 局部网格加密[9] 【Mesh】→【Compute Mesh】，【V olume Mesh】，“Mesh Type”：Tetra/Mixed，”Mesh Method”：Robust(Octree)，如图4-6-6a，【Compute】。
生成网格数：134万，如图4-6-6b。
a b图4-6-6 生成网格[10] 【Edit Mesh 】→【Display Mesh Quality】，进行网格质量检查，结果如图4-6-7。
图7 网格质量检查[11] 计算要求网格质量至少0.2，已然满足。
网格质量的进一步提高见“ICEM简介及关键操作技巧”。
[12] 【Output】→【Select Solver】，“Output Solver”:ANSYS CFX，“Common Structural Solver”：ANSYS，【Apply】，见图4-6-8图4-6-8 选择求解器图4-6-9 生成.cfx5文件[13] 【Output 】→【Write input】，【Done】，如图4-6-9。
1.2. 导叶·iv·[1] 在NX中，【文件(F)】→【导出(E)】→STEP203，将水体转成.stp格式。
[2] 打开ICEM CFD，【File】→【Change working directory】，选择工作目录。
[3] 【File】→【Import Geometry】→【STEP/IGES】，导入几何体，【Apply】如图4-6-10。
图4-6-10 导入几何体图4-6-11 划分part[4] 【Geometry】→【Repair Geometry】，，【Apply】。
若均为红线则实体拓扑结构完整。
[5] 为了便于后面的网格划分和后续的CFD设置，将叶轮水体的不同部位设为不同的“part”，如图4-6-11。
[6] 【Create Body】，点击“2 screen location”后的鼠标箭头，在体上选择两点，要求这两点的连线都在体内，如图4-6-12。
点2点1单击图4-6-12 生成BODY[7] 【Mesh 】→【Global Mesh Setup】进行全局网格设置，“Scale factor”：1.0，“Max element”:10.0，【Apply】。
a·vi·b图4-6-13全局网格设置[8] 【Mesh】→【Part Mesh Setup】，进行局部网格加密。
如图14，设置max size，CKB（出口边）：0.5，JKB（进口边）：0.5，KT（壳体）：4，LG（轮毂）：4，YLCK（叶轮出口截面）：4，YLJK（叶轮出口截面）：4，YP（叶片）：2。
图4-6-14 局部网格加密[9] 【Mesh】→【Compute Mesh】，【V olume Mesh】，“Mesh Type”：Tetra/Mixed，”Mesh Method”：Robust(Octree)，如图4-6-15a，【Compute】。
生成网格数：134万，如图4-6-15b。
a b图4-6-15 生成网格[10] 【Edit Mesh 】→【Display Mesh Quality】，进行网格质量检查，结果如图4-6-16。
图4-6-16 网格质量检查[11] 计算要求网格质量至少0.2，已然满足。
网格质量的进一步提高见“ICEM简介及关键操作技巧”。
[12] 【Output】→【Select Solver】，“Output Solver”:ANSYS CFX，“Common Structural Solver”：ANSYS，【Apply】，见图4-6-17图4-6-17 选择求解器图4-6-18 输出.cfx文件[13] 【Output 】→【Write input】，【Done】，如图4-6-18。
·viii·2 定常前处理2.1. 打开CFX【ANSYS13.0】→【Fluid Dynamics】→【CFX】，更改“Working Directory”，点击CFX-Pre 13.0，如图4-6-19。
图4-6-19 打开CFX2.2. 新建Case【New Case】，“Simulation Type”:General，【OK】，如图4-6-20。
图4-6-21 新建case2.3. 导入网格右击【Mesh】，“Import Mesh”→“ICEM CFD”，选择.cfx5文件，注意单位，【Open】如图4-6-22。
a注意单位b图4-6-22 导入网格2.4. 导入网格完成导入的网格如图4-6-23所示。
·x·图4-6-23 计算域2.5. 生成域在任务栏中，点【Domain】生成域，指定名称：jk，点【OK】，如图4-6-24所示。
图4-6-242.6. Basic Setting（基本设置）如图4-6-25所示：[1] Location and Type。
“Location （注意该位置是要选生成域的位置，名称不重要）”：SOLID；“Domain Type”：Fluid Domain；[2] Fluid and Particle Definitions。
删除原有定义，新建，输入材料名称：water，“Option”:Material Library,“Material”:Water；“Morphology”: Continuous Fluid；[3] Domain Models。
“Reference Pressure”:1[atm]，“Buoyancy Model”：Non Buoyant，“Domain Motion”：Stationary,“Mesh Deformation”:None。
图4-6-25 基本设置图4-6-26 流动模型设置2.7. Fluid Models（流动模型）设置见图4-6-26。
[1] Heat Transfer。
“Option”:Isothermal，“Fluid Temperature”：25[C]；[2] Turbulence。
“Option”:k-Epsilon，“Wall Function”:Scalable；[3] Combution。
“Option”：None；[4] Thermal Radiation。
“Option”：None；[5] 【Apply】。
2.8. 重复基本设置和流动模型用6、7的参数对进口、导叶进行相同的设置。
2.9. 设置叶轮域·xii·“Domain Motion”：Rotating,“Angular Velocity”:297[rev min^-1],“Rotation Axis”:Global Z，其他的选项保持和（6）（7）一致，见图4-6-27。
图4-6-27 设置旋转域2.10. 以叶轮为例，设置边界[1] 如图4-6-28，将边界命名为“kt”（壳体）；“Boundary Type”：Wall，“Location”：叶轮壳体；“Boundary Details”保持默认。
a bc图4-6-28 设置边界条件[2] 类似地，将其余除各个域进出口以外的各个面的边界类型均设置为“Wall”。
2.11. 设置进口-叶轮的Interface（交界面）[1] 在任务栏中点【Interface】。
[2] 指定名称。
在弹出的域命名窗口输入域名，点【OK】。
[3] 基本设置。
交界面类型为Fluid Fluid，交界面一边选择进口段的出口，另一边选择叶轮的进口。
Interface Models（交界面模型）：General Connection；Frame Change/Mixing Model：Frozen Rotor；Pitch Change中选择Specified Pitch Angles，Pitch Angle两边都是360[degree]，如图4-6-29所示。
图4-6-29 动-静交界面设置图4-6-30 静-静交界面设置2.12. 叶轮-导叶的交界面叶轮-导叶的交界面同11。
2.13. 导叶-出口的交界面如图4-6-30，Frame Change/Mixing Model：None；Pitch Change：None。
2.14. 全局进出口条件设置。
·xiv·[1] “Boundary Type”:Inlet,“Location”:选择进口，如图4-6-31a；[2] Mass and Momentum。
“Option”：Mass Flow Rate,“Mass Flow Rate”：设置为额定流量（可根据实际情况设置其他流量）,如图4-6-31b。
图4-6-31a 进口基本设置图4-6-31b 进口流量设置[3] “Boundary Type”:Opening,“Location”:选择出口，如图4-6-31c；图4-6-31c 出口基本设置[4] Mass and Momentum。
“Option”：Opening Pres.and Dirn,“Relative Pressure”：0.1Mpa,如图4-6-31d。
轴流泵空化流及其诱导压力脉动的数值模拟_张德胜
第１期
张 德 胜 ，等 ：轴 流 泵 空 化 流 及 其 诱 导 压 力 脉 动 的 数 值 模 拟
· ３５ ·
轴流泵在常规工况下叶轮和导叶动静相干诱 导的压力脉动已 有 了 较 多 的 研 究，揭 示 了 叶 频 是 动静相干的主频，谐频为主频的倍数［１－３］．然 而，轴 流泵运行工况经 常 变 化，在 非 设 计 工 况 下 容 易 产 生空化，在空化工 况 下 泵 内 部 压 力 脉 动 将 诱 导 强 烈 的 水 力 激 振 ，使 泵 产 生 强 烈 的 振 动 和 噪 声 ．随 着 空化模型的不断 完 善，通 过 数 值 模 拟 手 段 研 究 水 力机械内部非定常空化特性已成为热门的研究方 向［４－７］．Ｋｕｂｏｔａ等 在 ［８］ Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｐｌｅｓｓｅｔ方程基 础 上提出了基于空 泡 动 力 学 的 两 相 流 模 型，较 好 地 模拟了绕二维 ＮＡＣＡ 水 翼 的 云 状 空 泡 云 的 发 展 特性；Ｍａｓａｓｈｉ Ｆｕｋａｙａ等［９］基 于 数 值 模 拟 提 出 了 轴流泵内 空 泡 运 动 规 律；Ｋｏｈｅｉ Ｏｋｉｔａ 等 基 ［１０］ 于 数值模拟讨论了 诱 导 轮 内 部 非 定 常 空 化 流．本 研 究以 ＺＢＭ７９１－１０００型轴流泵模型为研究对象，对 轴流泵的非定常 空 化 流 场 进 行 数 值 模 拟，并 通 过 试验验证计算结 果 的 准 确 性，分 析 模 型 泵 在 不 同 空化余量 下 轴 流 泵 内 部 不 同 位 置 的 压 力 脉 动 特 性 ，旨 在 揭 示 空 化 工 况 下 泵 内 部 压 力 脉 动 的 规 律 ．
图 １ 轴流泵三维模型图
轴流泵流场数值模拟及优化设计研究
轴流泵流场数值模拟及优化设计研究轴流泵是一种常见的离心泵，广泛应用于工业、农业、民用等领域。
随着科技的不断进步，流场数值模拟技术得到了广泛的应用，可以在设计阶段就对轴流泵进行流场数值模拟，优化设计，提高轴流泵的效率和可靠性。
流场数值模拟的基本原理是通过数学模型和计算机模拟，模拟流体在轴流泵内部的流动情况。
在进行流场数值模拟前，需要先建立包括轴流泵体积、叶轮和流道等元素的三维模型。
然后，需要选择合适数学模型以描述流体在轴流泵内的流动。
当然，还需要进行网格划分，将轴流泵内部划分成无数的小单元，从而实现流体在空间内的无限分割。
最后，利用计算机求解数学模型，得到轴流泵内部的流场分布情况，实现优化设计。
目前，轴流泵的流场数值模拟主要采用的计算方法是有限元方法和有限体积法。
有限元方法强调的是通过离散化来建立轴流泵内部流场的数学模型，这种方法非常适合处理复杂的泵型结构，对计算的精度和计算时间都有一定的保证。
而有限体积法则是将轴流泵体积划分为小的控制体积，将运动物体体积积分过程转化为控制体积上的通量积分，从而将运动物体的微积分方程转化为普通方程，大大简化了问题，同时提高了计算效率。
在进行轴流泵的流场数值模拟时，需要特别注意以下几点：一、对轴流泵的每个元素进行较为准确的建模，包括叶轮、流道和各种管路;二、对流体在轴流泵内的流动进行模拟，包括速度、压力、湍流、稳态和非稳态等因素;三、进行合理的边界条件设定，如出口压力、进口流量等等。
通过流场数值模拟，可以对轴流泵的设计进行优化。
在模拟中，可以调整不同的设计参数，如叶片数目、叶片厚度、叶片攻角、流道倾斜度和进出口口径等，来找到最合适的设计方案。
此外，模拟的结果还可以为轴流泵的实际生产提供指导，如可以检测流量、速度和压力等参数是否达到预期要求，在实际生产过程中对轴流泵进行调整。
为了更好地使用流场数值模拟技术，需要加强计算机模拟软件的开发和改进，提高计算机软件和硬件的性能，同时也需要加强对流场数值模拟理论的深入研究，以获得更好的计算效果和优化设计结果。
【国家自然科学基金】_非定常数值模拟_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160
非定常性 非定常n-s 方程 速度场 远场噪声 近似解析 运动模型 迎风格式 边界层 轴流式通风机 轴流式水轮机 轴流压气机 轴向槽 转捩 跨音速转子 跨声速压气机 跨声压气机 贯流风机 试验 计算流体力学 自由表面形状 脱落涡 脉动风压 脉冲爆震发动机 能量法 胸鳍 聚合物熔体 网格局部重构 细长体 粒子图像测速 空间结构 空穴漏气 空化模型 空化 稳定性 离心风机 离心压缩机 瞬态过程 瞬态启动 直升机 界面反转 独立膨胀原理 特低渗透 熔体对流 热毛细对流 热斑 炮口制退ห้องสมุดไป่ตู้ 火炮身管 激波 滤波器 滑移网格 滑坡涌浪 湍流数值模拟 湍流场 涡轮
非定常性 非定常响应 非定常分析 非定常n-s方程 阻力 阀门 间隔 钝锥 采样时间 通道涡 进水流道 进气道 迎风紧致格式 轴流泵 跨音速转子 跨音速流动 跨音速动导数 超声速冲压喷气发动机 计算机仿真 补气 行进波 虚拟压缩方法 蓄热式加热炉 自由射流 脉动 翼型结冰模拟 缩流及扩散 缘线匹配 粘弹性蜻蜓模型翼 管口效应 突然起动翼型 稳定性 离心泵 离心压缩机 瞬态流动 直接数值模拟 界面反转 生物仿生流体力学 熔体对流 热源模型 热对流作用 激波装配法 激波 潜艇 滤波器模型 滚转运动 湍流 混流式转轮 液滴热毛细迁移 涡轮叶栅 涡激振动 消能 流量比 流场模拟
高速部分流泵整机非定常流动数值模拟
ｌ ４ ３ ０Ｉ
验 研究 表 ｌ ， 月 １ 高速部 分 流泵 内部 流 动 为 复 杂
的 维 ｌ定 常湍 流 ， 伴有 涡 流 、 卜 常 同流 、 汽蚀 、 力振 水 长 ， 以 △ ＝２ ２ 所 ， ． ８×１ ～ Ｓ 绝 对 残 差 均 小 于 １ ０ ， ０
时， 进行 下 ～ 步 物理 时 间步长 的迭代 ． 一
坏 系统 没 备． Ｈ前 ， 丁泵 的 内部 流场 力脉动 的研 埘
究 川 式验 方 法 和 数 值 方 法 ．Ｊｓ ｏ ｚｌ 帛 采 ｉ｝ ｏｅ Ｇ ｎａｅ ｚ
在蜗壳 壁 面靠 近叶 轮 出 口处设 置 ９个 监测 点 ， 以进
行压 力 监测 ， 图 １ 如 所示 ．
。 通 过 试验 存 蜗 壳 的壁 面 附 近 设 置 监 测 点 ， 。 以 测 力随时 间 的脉动情 况 ， 果表 明压 力脉 动 、 结 泵 体振 动 、 噪声等 都 和 叶 轮在 隔舌 附近 相 互 干 涉 作用
Ｋｔｎ ａｉｉ 对 离心 泵 内部流 场进 行 了数值 模拟 ， ｉ ｏＭ ｊ ａ ｄ
（ ｅｅ ｒｈ Ｃ ｎ ｒ ｆ ｌｉ Ｍａ ｈｎ ｒ Ｅ ｇｎ ｅｉｇａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ ｉ ｇ ｕＵ ｉｅｓ ｙ Ｚ ｅ ｊ ｎ ， ｉｎ ｓ １ ０ ３ ｈｎ ） Ｒ ｓａｃ ｅ ｔ ｕｄ ｃ ｉｅ ｎ ｉｅｒ ｎ ｅｈ ｏｏ ，Ｊ ｎ ｓ ｎｖ ｒｉ ， ｈ ｎｉ ｇ Ｊ ｇｕ２ ２ １ ，Ｃ ｉａ ｅｏＦ ｙ ｎ ｇ ａ ｔ ａ ａ
。 ．
的结 有 天． ｏｇＳ ｏＣ ｏ 等 通 过在 叶轮 的 不 同 Ｊｎ —ｏ ｈ ｉ 、 处安 装乐 力传 感器 的方 法测 得压 力的波动 频 率
Ｐ ｏ
币 幅值 ， ¨ 阿做频 域 分 析 ， 到 噪 声 的 音频 图 ， 运用 得 并
数值模拟计算的整个过程
数值模拟计算的整个过程数值模拟计算的整个过程主要包括一下几个过程：一.建立模型（应用软件： CAD 工具如 PRO/E Bladegen 等）几何生成时应注意的问题主要有以下几个部分：1.几何生成1.1几何区域的规划几何的生成可以是一个整体部分，但是有时为了网格划分时的方 便可以把几个分成几个部分生成，例如轴流泵几何的生成可以分为四个部分：进水流道、叶轮、导叶和出水流道（图 1.2），离心泵几何分为三个部分：进口端，叶轮，窝壳（图 1.2 ）。
图1.1轴流泵几何图1.2离心泵几何fl 9U 1,痂(m)--------------- ------------------------------- 1 1 ________________ 1 1出水流道叶轮1.2几何生成的方法1.2.1泵的叶轮和导叶部分可以根据各自的木模图使用BLADEGE较为方便的生成1.2.2而其他部分则可以通过Pro E等三维CAD工具生成，其中离心泵窝壳由窝壳木模图先将各断面绘制成型，再利用扫掠的方法成型。
1.3.几何输出1.3.1从PRO/E中导出文件时可以选择保存成igs格式，也可以保存成stp格式，在导出时按其默认格式保存，即igs格式的保存成面的形式，stp格式的保存成体和壳的形式。
1.3.2.进出水流道部分（轴流泵），进口端（离心泵）要做适当的延伸。
1.3.3从PRO/E中导出之前可以可以改单位，或者明确几何生成时所用单位，以便导入。
1.3.4各部分的特征位置的坐标要明确，如几何中心，原点，以便各部分导入后的合并。
二.网格划分（软件：ANSYS ICEM）网格划分主要有以下几部分：2.1.几何检查及修复通过检查几何命令检查几何并将错误的部分根据实际情况修复（以轴流泵出水流道为例，见图 2.1）图2.1 （a）轴流泵出水流道几何检查图2.1 （b ）修复后的轴流泵出水流道几何2.2 设置 part2.4.设置网格大小，生成网格 2.4.1六面体网格的生成。
大型轴流泵空化特性的数值模拟
大型轴流泵空化特性的数值模拟燕浩;刘梅清;梁兴;林鹏;吴远为【摘要】为了研究大型立式轴流泵内部的空化特性问题,选取幸福泵站中叶轮直径为2.80 m的机组作为研究对象,分别进行了试验研究和数值模拟,计算结果与试验结果相吻合,验证了数值模拟的准确性,得到该泵的汽蚀余量为4.86 m,临界空化压力为48.50 kPa.模拟结果表明:在泵的进口压力从47.00 kPa下降到42.00 kPa的过程中,空化持续长度从0.24迅速变化到1,空化迅速扩散至整个叶片;当流量大于设计值时,空化只发生在工作面靠近叶片进口边处,而当流量小于设计工况时,空化主要发生在叶片吸力面,且当液流角β'1小于翼型最大厚度处斜率所对应的角度α时,叶片吸力面形成1个空化区域,当β'1大于α时,叶片吸力面将会形成2个空化区域;当大型轴流泵发生空化时,增大进口压力至临界空化压力以上可以有效消除内部空化现象;通过调整运行流量至设计流量附近,可以有效减弱泵内部的空化程度.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)011【总页数】7页(P44-50)【关键词】轴流泵;空化;数值模拟【作者】燕浩;刘梅清;梁兴;林鹏;吴远为【作者单位】武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉【正文语种】中文【中图分类】TH311大型轴流泵是一种大流量、低扬程、高比转速泵型,是水利工程的重要组成部分,特别是城市排水泵站,除排放雨水外,还承担着城市生活污水、生产废水的排放任务,其安全稳定运行对国民经济可持续发展具有重要作用。
机组内的空化是影响泵站稳定与安全运行的关键因素,空化会对过流部件产生破坏,引起泵内流态发生改变,而流态改变又会加剧空化发展,甚至使机组无法正常工作,因此,对其内部的空化特性进行研究具有重要意义。
基于非定常数值模拟的微型循环水泵性能预测
散率值。出口边界指定为 自由出流条件，认为泵 内流动 在 出 口部 分 已达 到 充分 发展 状 态 。旋转 叶 轮 与静 止 压水 室 间动 静 交 界面 的信 息 传递 ，引入 滑 移 网格 技术 进行 处 理 。
图 １ 微 型循环水泵结构简 图
３ 数值 预测结果与分析
本文 选 取微 型 循环 水泵 的 ５个 运行 工 况进行 了数值 模 拟 ，分 别 为 Ｑ ０６ ． 、 １０ １２ ／ ． 、０８ ． 、 ． 和 １４ ． 。各 工 况 点的 数值 模拟 值 是对 叶 片一 个旋 转周 期 内均 匀地 取 了 ５个 时刻 的值 进行 的平 均 。
率、 效率等性 能参数 进行预测 ，以检验其性 能是否
Ｃ
Ｕ ０８ ， ・ ４５
ｌ３ ・９
：
ｃ 一— １ Ｖ ｒ ｑ － ／） （ ／ ｏ
—
达到设计 要求 。但 同时研究 发现 ，由于 叶轮复杂 的几何形状 、 转动 的叶片 与静止 的压水室 间的相对 运动 、 离最优 工况 时吸水室水流 圆周运动 等因素 偏 使得 离心 泵 内部流 动呈 现非 定 常流动 的特 征 。为 此， 本文 采用不 同湍流模 型对微型循 环水泵进 行 了
６ 托 架 盖 ；７ 泵 体 密 封 垫 ；８ 管 接 头 密 封 垫 ；９ 定 子 套 ； 一 一 一 一 １一 推轴 承；１ Ｏ止 卜止 推 轴 承橡 胶 垫 ； １一 子 绕 组 ； ２定
１ 一 子；ｌ一 ３转 ４ 定子套 调整 垫；ｌ 一 ５ 水润 滑轴 承；
１一 壳 ； ｌ一 间绝 缘 纸 ； １一 端 绝 缘 纸 ６机 ７中 ８前
《 电技术》２ １ 年第 ２期 机 ００
有 限体积法对控制方程在空间域上进行离散 ，变 量 存储 在 控 制体 中心 。压 力项 采 用 二阶 格式 ，其 他各项均采用Ｑ ＩＫ ＵＣ 格式。 在时间域上 ， 采用二阶 全 隐格 式 进 行 离 散 。压 力和 速 度 的耦 合 求解 采 用Ｓ ＭＥ 算 法 。本 计 算 中 ，计算 精 度 为 １ ０ ， ＩＰ Ｃ ×１一 为足够分辨 内部流场的非定常信 息，时间步长设 置 为５６ ９ ０ Ｓ 即每 一 时 间步 长 叶轮转 过 １ 。 ． ６ ×１一 ， 。
轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析
行数 值模拟 ， 数值 模 拟过 程及 所 需要 采用 的软件 见 图 １Ｉ ． ［ ３ 本文 主要 阐述 在数 值 计 算 之 前 所需 要 做 。
的工作 ， 即全 流道 的三 维造 型 及 网格 划分 两 部分 内
容．
数 的 ２３ ／ 左右 ， 以立 式 半调 节 为主 ， 号 为 Ｚ Ｂ 出 型 Ｌ， 水 Ｉ直 径 主要 为 ７０ｍＴ ９ ０ｔ ｉ１２０ ２ Ｉ ０ ｌ、０ ｎｌ ．０９年浙 江省 Ｉ ｏ １ 启 动 了大 中型泵 站更 新 改造 工作 ， 对轴 流 泵 内部 故
０ 引 言
轴流 泵 由于扬 程 低 、 量 大 ， 浙 江 省 大 中型 流 在 泵站 中被 广泛 使 用 ． 单 座 泵站 统 计 ， 江 省 ５座 按 浙 大型泵 站 ，５座 中型泵 站 中 ， 流泵 数 量 占水 泵 总 ４ 轴
技术 的发展 ， 使用 Ｃ ｍ ｕ ｔ ｎｌ ｌｉ Ｄ ｎｍ ｃ（ Ｆ ｏ ｐｔ ｉ ａ Ｆｕ ｙ ａ ｉ Ｃ Ｄ） ａｏ ｄ ｓ 技 术成 为分析 轴流 泵 内部 流动 的 一种 有效 手 段 ． 为 明确轴 流泵 内部 湍 流场 分 布情 况 ， 要 对 轴流 泵进 需
ｍｅ ｎ ｆＰｏ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｏ ｗ ｒ ｏ ｄａ ｎ ｓｆ ｍ ｐ ｉｔ ，ｆｃ ｓｆ ｍ ｎ ｓａ ｄ ｂ ｄｅ ｏ ｆｃ ｓ ｈ ｙ ｒ ｕｉｓｐ ｏｅｓ ｎ ａ ｓｏ ｒ／ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇｓ ｆ ａ ｅｔ ｒ ｗ ｌ ｅ ｏ ｏ ｎｓ ａ ｅ ｏ ｌ ｅ ｎ ｏ ｉｓｆ ｍ ａ ｅ ．Ｔ ｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｒｆｓｉ ａ ｉ ｔ ｉ ｒ ｒ ｉ ｒ ｃ ｏｌ ｐ ｅ ｐ ｏ ｅｓｎ ｏｌ ａ ｅ Ｇ ｍｂｔｉ ｕ ｅ ａｒ ｎ ｔｅ ｇ ｉ ｄｖｓ ｎ ｉ ｏ ｎ ａｙ ｃ ｎ ｔ ｎ ｓ ｂｉｈ ｄ．Ｔ ｅ ｃ ｍｐｅｉｎ ｏ ｅ ｒ — ｒｃ ｓ ｉｇ ｓｆ Ｔ ａ ｉ ｓ ｓ ｄ ｔ ｃ ｒ ｏ ｒ ｉｉ ｏ ．ｗ ｔ ｂ ｕ ｄ ｒ ｏ ｄ ｉ ｓ ｅｔ ｌ ｅ ｈ ｏ ｌｔ ｆｔ ｗ ｏ ｙ ｈ ｄ ｉ ｈ ｉ ｏ ａ ｓ ｏ ｈ
轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟
ｐ ｎ ａ ｋｎｉｔ ｃ ｎｉ ｒｔ ｎ ｈ ｐ ｆ ｕ ｐｗ ｓ ０ ０ Ｉ ５ ． ６ ６Ｓ ｈ ｒｓｕｅ ｖ ｌ ｉ ａ ｓ ｓ ａ ｅ ｏ ｏ ｓ ｅａｉ ．Ｔ ｅ ｙ ｅｏ ｍ ａ ０ Ｚ ３ ５— ． Ｊ ．Ｔ ｅｐｅｓｒ ， ｅ ｃ ｙ ｗ ｔ ｎ ｄ ｏ ｔ ｐ ４ Ｑ ｏｔ
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法和 滑移 网格技 术 ， 一 个完 整 的转 动 周期 中对 ４ ０ Ｚ Ｑ ３ ５—６ ６Ｓ型立 式 轴 流 泵全 流 道 内 在 ００ Ｌ ５ ． ．Ｊ 的三 维湍 流流场进 行 了数值模 拟 ． 出了在 叶 片角为 ０ ， 给 。 设计 流量 工况 为 ５ ． ｓ时叶轮进 出 ３ ５ｍ ／
一 排灌机械工程学报
骥嗣 黼 Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｎ ｇ ｎ ｒ ｉ ａ ｉ ｎＭ ａ ｈ ｎ ｒ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ 豳臻 ｏ ｒ ａ ｉ ａ ｅａ ｄ Ｉ ｒｇ ｔｏ ｃ ｉ ｅ ｙ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｏ Ｄｒ
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轴 流泵 装 置 三 维 非定 常湍 流 流场 的 数 值模 拟
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轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析
轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析施高萍(浙江水利水电专科学校,浙江杭州310018)摘要:根据轴流泵叶轮叶片和导叶体叶片的木模图,利用P ro/en g in ee ring软件的三维造型功能,采用由点到线、线到面、面再到体的方法对轴流泵叶片进行三维造型,进而完成轴流泵全流道的造型.采用C FD前处理器G am b it软件对全流道进行了网格划分,并在前处理软件中进行了边界条件的划定,从而完成了轴流泵内部湍流场数值模拟的前处理过程,为后期的C FD计算和性能预测提供了条件.关键词:轴流泵;叶轮;导叶体中图分类号:TV547文献标志码:A 文章编号:1008-536X(2010)03-0038-04Analys i s on Nu m eri ca l S i m u l ati on P re-process i ng of Ax i a l-fl ow Pu m pSH I G a o-p in g(Zhe jian g W a ter C on se rv an cy and H yd rop ow e r C o lleg e,ha ng zhou310018,C h ina)Ab s tra c t:B a sed on th e w ooden pa t tern s o f th e ax ia l-flowpum p,a m e thod w a s p ropos edto es ta b lishth e3D m ode lin g o f b la des,by m ea n s o f P ro/E ng in eer ing so ftw a re to d rawlines fromp oin ts,fa ces fromlin es and bod ies fromfa ce s.T he hy d ra u lics p ro fes s ion a l p re-p roce ss ing so ftw a re G am b it is u sed to ca rry on the g r id d iv is ion,w ith b oun da ry cond itions es ta b lished.T he com p le t ion o f the num e rica l s i m u la t ion p re-p roces s in g o f a x ia l flowfie ld m ak es the found a t ion o f the fu tu re C FD ca lcu la t ion and cap ab ility fo reca s t. K e y w ord s:a x ia l-flow p um p;i m pe ller;g u ide v a ne0引言轴流泵由于扬程低、流量大,在浙江省大中型泵站中被广泛使用.按单座泵站统计,浙江省5座大型泵站,45座中型泵站中,轴流泵数量占水泵总数的2/3左右,以立式半调节为主,型号为ZLB,出水口直径主要为700m m、900m m[1].2009年浙江省启动了大中型泵站更新改造工作,故对轴流泵内部流动的分析与研究就显得尤为重要.轴流泵内部的真实流动非常复杂,在绝大多数情况下,它是三维非定常湍流,常伴有分离、二次流、汽蚀和叶尖泄露等流动现象.由于实验装置和设备的限制,利用传统的实验方法不能很好掌握轴流泵内部的流动的真实情况.近年来,随着计算机收稿日期:2010-07-01基金项目:2009年度浙江省水利厅科研基金资助项目(RB0919);2010年度浙江省水利厅科研基金资助项目(R C1022, RC1024);2010年度浙江水利水电专科学校科研基金资助项目(XKY -201010)作者简介:施高萍(1978-),女,浙江缙云人,硕士,讲师.主要从事CAD/CAM/C AE及工程力学方面的教学与研究.技术的发展,使用C om pu ta tiona l F lu id D yn am ics(C FD)技术成为分析轴流泵内部流动的一种有效手段.为明确轴流泵内部湍流场分布情况,需要对轴流泵进行数值模拟,数值模拟过程及所需要采用的软件见图1[2-3].本文主要阐述在数值计算之前所需要做的工作,即全流道的三维造型及网格划分两部分内容.图1数值模拟过程1轴流泵全流道三维造型三维实体模型是水力设计和轴流泵C FD之间的桥梁,一方面体现水力设计的结果,另一方面也是C FD研究的基础.轴流泵叶片表面一般是扭曲的,叶片的形状几乎决定了整个轴流泵的水力性第22卷第3期浙江水利水电专科学校学报V o l.22N o.3 2010年9月J.Zh e jia ng W a t.C on s&H yd r.C o lleg e S ep.2010能.因此,三维实体造型必须严格依据水力设计的结果得到,尤其是叶片造型,否则的话,数值模拟得到的结果就很难具有说服力.本文所研究的轴流泵模型是900ZLB-85,该轴流泵的基本参数为:叶轮直径:850m m,叶片数:4片,导叶数:7片.泵的设计点流量Q=2m3/s,扬程H=5.4m,转速n=485r/m in.1.1叶轮的三维造型1.1.1叶轮轮毂体造型叶轮轮毂体一般是轴对称的回转体,从特征造型的角度来看,属于隆起特征中的旋转特征.旋转特征是由特征截面绕截面旋转中心线旋转一定的角度而生成的一类特征.该部分建模的关键是特征截面绘制.为保证造型的准确性,绘制截面时由A u-toCAD直接导入.1.1.2叶轮叶片造型叶片造型是轴流泵叶轮造型的难点.一方面它是轴流泵的核心,与泵的扬程、流量、抗汽蚀系数和特性曲线的形状等有着重要关系;另一方面,其形状复杂,难以进行三维精确描述,给设计结果的分析造成了障碍[4].图2(a)为叶片正面投影图,(b)为叶片翼型图.为了获得叶片的三维实体造型,需要将这些翼型图还原为三维空间曲线,再根据这些空间曲线混成得到叶片的正背面,同时生成叶片和轮毂的交界面、叶片的轮缘面,最后由叶片的各个表面围成叶片实体.(1)创建空间曲线:由图2(a)可得到叶片各个截面的R坐标和the ta坐标,由图2(b)得到叶片V 截面工作面和背面的Z坐标,其他截面类似,明确坐标点后,建立坐标点文件.V截面叶片工作面的点文件为在背面的点文件的Z坐标上增加其厚度即可.其它截面都可如V截面一样做出背面上的点和工作面上的点.这样当所有截面都完成后,可由点连成线,形成空间曲线,见图3(a).(2)创建叶片工作面和背面:P ro/E中利用“融合”命令,按照从轮毂到轮缘或者完全相反的次序依次选择特征曲线,生成叶片的工作面和背面,见图3(b).(3)创建轮毂面和轮缘面:上述创建的特征曲线所在的柱面的半径大小都介于轮毂半径R153和轮缘半径SR425之间,所得到的叶片是不完整的.图2轴流泵叶轮叶片图图3叶轮叶片建模过程第3期施高萍:轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析39利用面的延伸,使叶片的正背面延展,分别得到轮毂面和轮缘面,见图3(c).(4)得到叶片实体:将叶片正面、背面、轮缘面和轮毂面进行合并,并实体化,得到叶片实体模型见图4.1.2 导叶体三维造型导叶体叶片的三维造型过程跟叶轮叶片的三维造型过程一样,叶轮和导叶的造型结果见图4.图4 叶轮和导叶的造型结果在P ro/E 中采用组件装配环境,利用元件间的切减命令进行流道的三维造型,其造型结果见图5.图5 900ZL B -85三维造型结果2 G am b it 网格处理在进行数值模拟前,须进行前处理,即网格划分、网格检查,和边界定义,在GAM B IT 软件中可完成这部分工作.2.1 网格划分为了使计算结果更精确,对整个流道进行了模拟,其全流道的网格划分结果和计算区域结果见图6.由于在全流道内既有旋转流场,又有非旋转流场,所以把计算体分为进口区、叶轮区和导叶区三个区域,分别将模型轴流泵进口区、叶轮区和导叶区网格导入G am b it 软件,处理后导入F luen t 软件进行计算,两个计算体之间的耦合采用滑移网格方法,进口区与叶轮区、叶轮区和导叶区都分别用平面混合(m ix ing p la ne)来模拟它们之间的干涉.平面混合是将每一个流动区域都按照稳态问题来解决,在一次迭代间隔里,在交界面上的流动数据会被沿周向平均.F LU E N T 使用周向平均来定义大致的流动特性,通过平面混合,周向平均值在各流动体之间相互传递.鉴于叶片表面和导叶表面为不规则的空间曲面结构,因此采用非结构网格,在计算体体内采用四面体网格,壁面上采用三角形网格.图6 网格划分2.2 边界条件设定边界条件的设置主要给定进口、出口、壁面及交界面等边界条件,设置见图6,其中1设置为进口,2设置为叶轮外流道壁面,3设置为叶轮叶片,4设置为导叶叶片,5设置为导叶体壁面,6设置为导叶体外壁面及出口壁面,7设置为出口.通过以上设置,经过F LU E N T 软件计算分析,全流道运动轨迹见图7,计算结果表明模型建立是正确的.3 结 语(1)进行了全流道的三维造型.包括叶轮叶片,导叶叶片,以及由叶轮和导叶构成的流道的三维全流道的三维造型;(2)进行了全流道的网格划分和边界条件的设40浙江水利水电专科学校学报第22卷图7全流道运动轨迹图置.进口采用速度进口,出口为压力出口,导叶体和叶轮为旋转部件,在设置过程中采用动坐标系,进口与出口段采用静坐标系;(3)为数值模拟奠定了基础.通过以上设置,成功导出的m sh文件可以进行数值模拟.参考文献:[1]施高萍,王莺,崔梁萍.轴流泵在浙江省大中型泵站中的应用及改造建议[J].浙江水利水电专科学校学报,2009,21(4):19 -21.[2]陆广林,伍杰,陈阿萍,等.立式轴流泵装置的三维湍流流动数值模拟[J].排灌机械,2007,25(1):29-32.[3]杨军虎,张炜,王春龙,等.潜水轴流泵全流道三维湍流数值模拟及性能预估[J].排灌机械,2006,24(4):5-9.[4]陈田,殷国甯,舒斌,等.基于三维特征建模的叶片泵C AD系统研制[J].计算机集成制造系统———C I M S,2001,7(2):59-64.中国古代著名水利工程(一)工程名称:芍陂修建年代:公元前598一前591年所在地点:安徽省寿县主持人:孙叔敖备注:又称龙泉之陂、勺陂工程名称:邗沟修建年代:公元前486年所在地点:江苏省淮阴至扬州主持人:夫差备注:又称山阳渎、淮扬运河、里运河,元代以后成为京杭运河的一段工程名称:京杭运河修建年代:公元前486年,春秋时鲁襄公9年所在地点:北京市至浙江省杭州市主持人:扬广等备注:历史上屡经扩建、改建,以隋唐两朝最盛,故有隋唐大运河之称工程名称:智伯渠修建年代:公元前453年所在地点:山西省太原市主持人:智伯工程名称:引漳十二渠修建年代:公元前425年所在地点:河北省临漳县至河南省安阳市主持人:西门豹备注:中国北方最早的引水灌溉大型渠系工程工程名称:鸿沟修建年代:公元前361年所在地点:河南省开封至安徽省沈丘主持人:魏惠王备注:古代最早沟通黄河和淮河的人工运河工程名称:都江堰修建年代:公元前256年,秦昭襄王51年所在地点:四川省灌县主持人:李冰工程名称:郑白渠修建年代:公元前246一前95年所在地点:陕西省境内主持人:郑国、白公备注:公元前246年始修郑国渠,公元前95年白公又修白公渠,两渠合称郑白渠(下转第88页)第3期施高萍:轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析41。