数值模拟计算整个过程

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BLADEGEN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part图2.2设置part2.3. 建立物质点（生成四面体网格时必须）图2.3建立物质点2.4. 设置网格大小，生成网格2.4.1六面体网格的生成。

分块六面体网格生成主要是分块的思想，一般不外乎O型，C型，H型，J型。

就叶轮以及导叶，对包角较大的叶片采用J型，包角小的则采用H型网格，往往为提高质量可以在叶片表面附着一层O型网格；对于离心泵的窝壳采用C型网格，其割舌部分用C型网格；对于轴流泵进出口流道的拓朴结构可以根据具体几何形状划分块，可参照附图（图2.4）。

出水流道网格块结构和生成网格叶片J 网格拓扑和生成网格导叶H 型网格拓扑和生成网格图2.4 网格拓扑和生成网格2.4.2 近壁网格处理近壁面的网格需要加密，以满足y+的要求。

对于k ε-模型，y+值一般要求在100这个量级，Y+的具体要求如下：对于k ω-模型，y+值一般要求在1这个量级，一般为4～5。

因此需要控制第一层网格的大小及近壁网格的数量。

第一层网格大小的估算公式如下此外须在近壁区δ厚度的范围内添加足够的网格数，要求如下：其δ的估算公式为设置方法以下图为参考，首先确定通过上面的估算公式计算δ及wall y ，进行对块上网格的设置，并生成非结构网格，此时第一层网格的大小为δ，然后根据公式normall N wall y δα=，计算网格增长率α，根据α将此时的第一层网格切成normall N 份即可。

图2.4.1近壁面网格切分2.5 网格检查及修复对于六面体网格，在未生成非结构化网格之前在blocking选项卡中进行网格质量的检查及光顺，对于生成非结构化网格之后的网格及四面体网格在edit mesh选项卡中进行网格质量检查。

四面体网格可以通过网格光顺工具来提高网格质量，但不易调整。

六面体网格需要通过调整块节点的位置来提高网格质量；块节点的调整需根据几何形状具体调整。

也可以通过edit mesh中的选项卡中的工具进行网格修复。

一般而言按照quality方式进行网格质量检查时推荐quality大于0.3。

存在的问题：1）综合网格质量quality是如何定义的，其值大于0.3的依据尚不明确2）网格质量判定除了quality之外还有哪些重要的影响因素图2.5 网格质量检查及光顺2.6. 导出网格首先要将网格转化成非结构网格（仅指六面体），再在output选项卡中选择求解器，再输出网格。

图2.6 网格输出三.CFX的计算3.1 建立一个simulation打开CFX进入CFX-pre，在file菜单中建立一个new simulation，选择general model进入CFX-pre的界面。

3.1.1 导入网格进入mesh选项卡，选择import mesh或从file菜单中选择import mesh，进入网格导入界面。

在网格导入界面中，选择definition选项卡，在mesh format中的下拉菜单中选择ICEM CFD，在file中，选取所要引入的网格，并在mesh units中正确选择单位（见图3.1.1）。

一般轴流泵分进水流道，叶轮，导叶以及出水流道四个部分的网格；离心泵分为叶轮，窝壳以及入口扩充断的三个部分的网格。

图3.1.1网格导入由于各部分网格在几何造型时，位置安排不一定统一，以及导叶或者叶轮部分网格可通过Turbogrid或者ICEMCFD中生成一个流道的网格，所以网格在导入后需要调整位置，复制叶轮网格等操作。

对需要调整的部分在mesh选项卡中用鼠标右键单击该部分网格选择Transform，此时需要调整的网格部分变为绿色，并在窗口左下方definition选项卡中选择Transformation的类型，对于需要移动的部分选择translation选项，可以通过调整移动坐标来移动该部分；对于需要旋转的部分选择rotation选项，通过对旋转轴及旋转角度设定可以旋转网格。

对于单一流道的叶片网格在旋转的同时需要重复拷贝该部分网格，需选择Multiple copy选项，拷贝n-1个，n为叶片或者导叶的数量，并选择Glue Matching Assumbles，这样可以将拷贝后的各部分网格合并为一个整体，这个必须保证相应边上网格完全一致，否则会产生多余的面。

（见图3.1.2）图3.1.2网格调整3.1.2计算定义在tool菜单中选择Turbo mode进入叶轮机计算模式，在basic设置中选择旋转轴及坐标系。

进入component definition，建立一个新的component，在弹出的new component菜单中，根据实际情况选择是静止或旋转的类型，其中叶轮为旋转部分，需定义转速，转速方向定义根据右手法则，其余部分为静止部分。

在mesh volume框体中的下拉菜单里选择相应的网格部分。

如果在网格面定义时命名规范则在turbo model中region information 会自动适配相应的区域，并对该区域的边界条件进行定义。

进入physical definition框体，选择计算类型（定常、非定常，非定常需定义参数）、湍流模式及进出口边界条件，对于非定场计算需设置time step及total time，time step根据CFL 数预先估计。

一般选择mass flow inlet p-static outlet给定入口流量及出口静压值。

图3.1.3计算定义进入interface definition 定义interface，其中转动部分和静止部分之间的类型是frozen rotor，静止部件之间是none。

进入boundary definition，定义边界条件，一般系统会自动的根据前面的设置自动定义边界条件，也可根据需要自行定义。

以上部分参见图3.1.3。

进入general mode，根据需要设置迭代次数及残差。

残差推荐是1e-4。

可以在Solve control 中可以选择时间步（timescal control和physical timescal，其中physical timescal为转速分之一）。

见图3.1.4。

保存设置。

图3.1.4 solver control 定义3.2进入计算在菜单栏中选择write solver file 按钮，弹出write solver file对话框，见图3.1.5，选择ok，进入CFX-solver界面（见图3.1.6），选择start run 进入计算。

图3.1.5 write solver file对话框图3.1.6 CFX-solver界面CFX设置中存在问题的部分：1）在定义interface时，对于动静之间的interface其transformation type有时需设置为none 才可以计算，否则会提示出错。

2）入口湍流强度该如何定义。

3）出口边界为opening和outlet对计算结果的影响。

附件一：CFX中设置的具体操作如下：a.创建区域1modmodmod...location jsdomaintype fluid domaingeneral optionsfluid list waterdomaindomainmotionoption stationaryheattrancefer el option nonefluid elturbulence el option kdcreat adomainε⎧→⎧⎪⎪→⎪⎪⎨⎪→⎪⎪→⎨⎪→⎩⎪⎪→⎧⎪⎨→-⎪⎩⎩2()modmodmod...location impellerdomaintype fluid domaingeneral optionsfluid list wateromaindomainmotionoption rotationaryheattrancefer el option nonefluid elturbulence el option kε⎧→⎧⎪⎪→⎪⎪⎨⎪→⎪⎪→⎨⎪→⎩⎪⎪→⎧⎪⎨→-⎩⎩注意转速方向3modmodmod...4location guidedomaintype fluid domaingeneral optionsfluid list waterdomaindomainmotionoption stationaryheattrancefer el option nonefluid elturbulence el option kgdomainε⎪⎧→⎧⎪⎪→⎪⎪⎨⎪→⎪⎪→⎨⎪→⎩⎪⎪→⎧⎪⎨→-⎪⎩⎩→modmodmod...location csdomaintype fluid domaineneral optionsfluid list waterdomainmotionoption stationaryheattrancefer el option nonefluid elturbulence el option kε⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧→⎧⎪⎪→⎪⎪⎨⎪→⎪⎪⎨⎪→⎩⎪⎪→⎧⎪⎨→-⎪⎩⎩⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪b.设置边界条件1det boundarytype inlet basic settings location name inlet creat boundary domain domain mass and momentum boundary ail ⎧⎧→⎧⎪⎨⎪⎩⎪⎪→⎫⎪⎪→⎧⎧⎨⎬⎨→⎭⎪⎨⎪⎪⎨⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩⎩质量流量速度入口wall 1noslip det boundarytype basic settings location name wall creatboundary domain domain boundary ail smoothwall ⎧⎧⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎫⎪⎪⎪⎩⎨⎬⎨⎧⎭⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩⎩⎪⎩→→→→opening out 1det boundarytype outlet basicsettings location name let creatboundary domain domain massand momentum boundary ail ⎧⎧⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎫⎪⎪⎧⎧⎨⎬⎨⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎨⎨⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎩⎩→→→→（）质量流量相对压力C.建立交界面int erface domain domain1int erface side1region list interface11creat int erface name interface domain domain2int erface side2region list interface12int mod type fluid fluid erface els option general connecti →→⎧⎨→⎩→→⎧⎨→⎩→（1）/on framechange mixing option frozenrotor ⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪→⎩int erface domain domain2int er faceside1region list interface21creat int erface name interface domain domain3int er faceside2region list interface22int mod type fluid fluid erface els option general connecti →→⎧⎨→⎩→→⎧⎨→⎩→（2）/on framechange mixing option frozenrotor⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪→⎩ int erface domain domain3int erface side1region list interface31creat int erface name interface domain domain4int erface side2region list interface32int mod type fluid fluid erface els option general connecti →→⎧⎨→⎩→→⎧⎨→⎩→（3）/none on framechange mixing option ⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪→⎩d.设置时间步、收敛精度及迭代次数(,..)max int solve ax convegencecriteria arg ()advection schemeoption high resolution up wind erations timescalecontrol fluid timescalecontrol control physical timescale residual type residual t et ⎧→⎨→⎩⎧⎨⎩（）转速分之一（RMS,M ）收敛精度⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩。