离心泵数值仿真指导教程

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1.离心泵数值仿真指导教程

本章对离心泵数值仿流程和步骤进行详细说明。PumpLinx算例文件目录下会生成几个重要文件，其中“.sgrd”文件为网格文件，记录网格信息；“.spro”文件为工程文件，记录模型及边界条件设置信息；如需打开一个完整的算例，工程文件和网格文件缺一不可。“.stl”文件为PumpLinx支持的几何模型导入格式。

PumpLinx算例文件说明

将离心泵流体域初始几何模型导入centrifugal_s_intial_stl_surface_

centrifugal_s_intial_stl_surface_

PumpLinx，未做任何操作的算例文件。

将离心泵流体域初始几何模型各边界面centrifugal_s_prepared_surfaces_

centrifugal_s_prepared_surfaces_

切分并定义后的算例文件。

centrifugal_s_prepared_mesh_

完成离心泵网格划分操作的算例文件。

centrifugal_s_prepared_mesh_

完成离心泵定常求解模型设置的算例文centrifugal_s_prepared_mesh_

centrifugal_s_prepared_model_

件。

完成离心泵非定常求解模型设置的算例centrifugal_s_prepared_mesh_

centrifugal_s_prepared_model_trans_

文件。

1.1离心泵几何模型导入

► 在CAD软件中将离心泵进口段、转子部分和蜗壳出口段分别以stl格式导出。

► 注意:在导出几何模型之前，需要将进口段、转子部分和蜗壳出口段分成三个部分，以便在进行数值仿真时可以顺利生成动/静流体域之间的交互面。 如下图所示：

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► 运行PumpLinx软件，新建一个工程文件，界面如下：

► 选择界面左边的Mesh窗口命令（一共4个窗口选项，分别是Mesh，Model，Simulation和Result，分别代表各个步骤）。

► 选择Import/Export Geometry or Grid命令，点击Import Surface From STL

Triangulation File，选择事先从CAD文件中导出的stl文件，如图所示：

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► 此步骤也可直接打开PumpLinx标准算例文件“centrifugal_s_intial_stl_surface_”，其默认存储路径为：C: /Program

Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal。

1.2 切分离心泵边界面

1.2.1 对离心泵流体域进行分区

►

点击Split/Combine Geometry or Grid命令，选择Split Disconnected命令对分块的几何模型进行切分。

► 几何体被分为pump_1，pump_2和pump_3三部分，分别将对应部分命名为Inlet，Rotor和Volute，即进口、转子和蜗壳三部分。

► 重命名pump_1为volute，即蜗壳出口部分；

► 重命名pump_2为rotor，即转子部分；

► 重命名pump_3为inlet，即进口部分。

1.2.2 切分并定义进口段边界面

► 选择进口段几何模型，设置75度分割角，点击Split by Angle选项，将进口段分为inlet_1，inlet_2和inlet_3三部分。

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► 重命名inlet_1为inlet_wall，即进口壁面；

► 重命名inlet _2为inlet_mgi，即进口与转子部分的交互面；

► 重命名inlet _3为inlet_inlet，即进口面。

1.2.3 切分并定义转子部分边界面

► 选择转子部分几何模型，设置30度分割角，点击Split by Angle选项，转子部分切分成rotor_01至rotor_20数个部分。由于设置了Maximum Num. of Splits值为20，因此最多允许划分的几何面为20。

► 重命名rotor_01为rotor_top，即外盖板面 ；

► 重命名rotor_02为rotor_bottom，内盖板面；

► 重命名rotor_03为rotor_mgi，转子与蜗壳部分的交互面；

► 重命名rotor_10为rotor_inlet，转子与进口部分的交互面；

► 合并rotor_04至rotor_09，rotor_11 至rotor_20部分，并重命名为rotor_blades。

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1.2.4 切分并定义蜗壳出口部分边界面

► 选择蜗壳出口段几何模型，设置89度分割角，点击Split by Angle选项，蜗壳出口段被划分为volute_1至volute_7数个部分。

► 重命名volute_1为volute_wall，蜗壳壁面；

► 重命名volute_2为volute_mgi，蜗壳与转子部分交互面；

► 重命名volute_5为volute_outlet，蜗壳出口；

► 合并剩下的面，并重命名为volute_rotating_walls。

► 最终切分好的边界面如下图所示：

► 该步骤完成后，可将此文件与算例文件“centrifugal_s_prepared_surfaces_”对比，该算例文件默认路径为：C: /Program Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal。

► 保存该文件。

1.2 生成网格

1.2.1创建入口段网格模型

► 在Mesh窗口下，选择General Mesher命令。

► 在界面右边的Geometric Entities窗口下，选择定义好的进口部分的所有几何面，注意一定是封闭的进口段几何体。

► 设置网格划分参数，其中最大网格尺度为0.05，最小网格尺度为0.001，面网格尺度

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为0.025。此处采用的是相对尺寸的方法划分网格，以x方向为例，x方向上存在最大和最小几何尺寸，将最大几何尺寸和最小几何尺寸之间的距离视为单位长度，当网格尺度为0.04时，该单位长度乘以0.04即为最大网格的尺寸。

► 网格生成后，在Geometric Entities窗口下，会新增general mesh网格，即为进口部分网格模型，点开左边的小三角符号，将新增的general mesh重命名为inlet。

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► 网格显示在Result窗口下，先在Geometric Entities窗口下选择新生成的Inlet部分网格模型；在Result窗口下勾选Grid选项，即可显示网格。

► 如网格密度不够，可通过调整最大网格尺寸和面网格尺寸，细化进口部分的网格。

1.2.2创建转子部分网格模型

► 在Mesh窗口下，选择General Mesher命令；

► 设置Maximum Cell Size为0.04，Cell size on Surfaces为0.01；

► 在界面右边的Geometric Entities窗口下，选择定义好边界面的转子部分流体域，注意一定是封闭的几何体模型。即以下几何面：

-rotor_blades

-rotor_bottom

-rotor_inlet

-rotor_mgi

-rotor_top

► 点击Creat Mesh命令，即可生成转子部分网格。

► 转子部分网格生成以后，在Geometric Entities窗口下，新增general mesh网格，点击左边的小三角符号，出现Boundaries选项，点开左边的小三角符号，选择rotor_blades面与sub-features面，然后点击“Mesh”窗口下Split/Combine Geometry

or Grid命令，选择Combine选项，然后点击Combine命令，即将这两个面合并为一个几何面。sub-features是网格生成过程中产生的小碎面，将此部分与对应的几何面合并即可。

► 注意：合并时先选择rotor_blades，再选择sub-features，新合并的几何面即会以rotor_blades命名。

► 将新生成的general mesh重命名为rotor。

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1.2.3创建蜗壳出口段网格模型

►

►

►

►

►

在Geometric Entities窗口下，选择CAD Surfaces部分的volute_mgi几何面；

在Mesh窗口下，选择General Mesher命令；

设置Maximum Cell Size即最大网格尺寸0.04（Properties窗口）；

设置Cell Size on Surfaces即面网格尺寸0.01（Properties窗口）；

设置Cell Size on Boundaries选项为User Input，点开三角符号下拉菜单，设置Size为0.002。此步骤即为对volute_mgi面进行面网格加密（Properties窗口）；

► 选择蜗壳部分所有几何面：

-volute_mgi

-volute_outlet

-volute_rotating_walls

-volute_wall

► 在Properties窗口，点击Creat Mesh，在Geometric Entities窗口下即生成新的genernal mesh部分网格，将其重命名为volute，即蜗壳出口段网格模型。

► 在Geometric Entities窗口下，将volute部分boundaries点开，合并volute_wall和sub-features，并以volute_wall重命名。注意先选择volute_wall再选择sub-features，合并后即可以volute_wall命名。

► 注意：将此文件保存，并与标准算例文件“centrifugal_s_prepared_mesh_v3.4..spro”对比。其默认路径为C:/Program Files/ Simerics/Tutorials/Centrifugal。在生成网格过程中，可在Results窗口下，勾选Grid选项，监测网格的细密程度。如网格不够细致，可通过调整最大网格尺寸、最小网格尺寸和面网格尺寸来达到调试网格质量的目的。

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1.3创建交互面

1.3.1创建进口与转子的交互面

► 在Geometric Entities窗口下，选择inlet_mgi面，按住Ctrl键再选择rotor_inlet面，此时connect selected boundaries via MGI命令被激活，点击该命令，即生成进口与转子部分的交互面。

► 注意：创建交互面后，新增Mismatched Grid Interfaces和Interfaces选项，选择Interfaces，几何显示区域需如下图所示。如显示区域不对，说明交互面创建有问题，需检查交互面的创建。

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1.3.2创建转子与蜗壳出口段的交互面

► 在Geometric Entities窗口下，选择rotor_mgi面，按住Ctrl键再选择volute_mgi面，此时connect selected boundaries via MGI命令被激活，点击该命令，即生成转子与蜗壳部分的交互面。

► 此时点击Interfaces选项，交互面如下图所示：

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1.4模型设置及求解

1.4.1 调用数值计算所需模型

► 在Model窗口下，点击Select Modules命令；

► 添加Centrifugal，Cavitation和Turbulence模型，即离心泵、空化和湍流模型。

► 通常情况下，调用离心泵模板后，湍流和空化模型的设置已内置好，用户无需做其他操作。如果遇到收敛性不佳的情况，可将Centrifugal调至高级模板，上调Flow/

Cavitation/Turbulence下对应项的松弛因子即Relaxation至0.1-0.3，提高收敛稳定性，一般无需此操作。

1.4.2设置离心泵运行参数

► 在Model窗口下，选择Centrifugal模板；

► 在Properties窗口下，设置叶片数为6；

► 在Properties窗口下，设置旋转方向为Counterclockwise即逆时针。旋转方向判定法则为：旋转轴正方向面对用户时，此时叶轮的旋转方向即为设定方向；

► 在Properties窗口下，设置旋转速度为990rpm；

► 在Properties窗口下，设置旋转轴矢量为[0,1,0]；

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► 注意：叶片数的设置是用来定义非定常计算的时间步长，对其他设置没有影响。例如，假设t为泵旋转1周的时间（即Number of Revolutions设为1），Time Steps Per

Pocket Rotation指从一个叶片旋转至相邻叶片所需时间步，默认值为10；若叶片数为6，则泵旋转一周所需时间步为6*10=60，则时间步长为Δt=t/60，t则由转速决定。

► 一般来说，若收敛性不佳，可增加Time Steps Per Pocket Rotation的设定值，以减少时间步长。

1.4.2设置边界条件

► 设置离心泵数值仿真边界条件如下：

边界面

inlet_inlet

rotor_blades

rotor_bottom

边界条件

Inlet: 101325 Pa (1 atm)

Rotor

Rotor

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rotor_top Rotor

volute_outlet Outlet : 0.15 m3/s

volute_rotating_walls Rotating Wall

► 注意：该进出口边界条件类型是在Template Mode模式下进行设置的，即进口默认为压力入口，出口默认为流量出口。如需改变边界条件类型，可在Model窗口下，将Centrifugal默认的Template Mode更改为Advanced Mode，即高级模式。在此模式下，还可进行收敛因子、残差因子、计算模型等的设置调试等。

1.4.2.1入口边界条件设置

► 在Geometric Entities窗口下，在Volumns网格部分，选择inlet_inlet边界面；

► 在Properties/Model窗口下，设置Centrifugal边界类型为Inlet，Total Pressure即入口总压为101325Pa。

1.4.2.2转子部分边界条件设置

►

在Geometric Entities窗口下，在Volumns网格部分，选择以下边界面：

-rotor_blades

-rotor_bot

-rotor_top

► 在Properties/Model窗口下，设置Centrifugal边界类型为Rotor。

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1.4.2.3蜗壳部分边界条件设置

► 在Geometric Entities窗口下，在Volumns网格部分，点选volute_rotating_walls边界面；

► 在Properties/Model窗口下，设置Centrifugal边界类型为Rotating wall。

► 注意：Rotor边界条件是指对应的体网格一同旋转，Rotating wall边界条件仅指对应边界面网格的旋转。此处主要考虑蜗壳部分volute_rotating_walls面的旋转效应。

► 在Geometric Entities窗口下，在Volumns网格部分，点选volute_outlet边界面；

► 在Properties/Model窗口下，设置Centrifugal边界类型为Outlet；

► 设置Volumn Flux即出口流量为0.015m3/s。

1.4.3选择流体介质

► 点选Geomrtric Entities窗口下最上方的Volumns，即所有流体域网格模型；

► 在Properties窗口下，选择Material为Water，此处水中气体质量分数默认为2.3e-5，具体介质属性参数如下：

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1.4.4创建监测点

► 可根据实际需要创建监测点，记录相关数据。

► 在Geometric Entities窗口上方，点击符号即创建一监测点，在Geometric Entities窗口下方新增Points选项，重命名Point 01为Periphery。

► 在Properties/Geometry窗口下，设置该点的坐标为[0.0105，0，0]。如对监测点没有确切的几何位置要求，可点击页面上方的位置。

符号，然后拖动该几何点确定其大致

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1.4.5运行稳态计算

► 选择左上方的Model窗口，点选Centrifugal模型；

► 在左下方的Properties窗口，设置Simulation Method为Steady（Multi-Reference

Frame）；

► 保存模型；

► 选择左上方的Simulation窗口，设置迭代步为2000，点击start命令即可运行稳态计算。其默认路径为C:/Program Files/ Simerics/Tutorials/Centrifugal。

► 保存该算例文件，可将其与标准算例文件“centrifugal_s_prepared_model_”对比，检查模型的正确性。

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1.4.6运行瞬态计算

► 注意：稳态计算结果可作为瞬态计算的初场；可先加载稳态计算结果，然后选择Start

from Solution，在稳态结果的基础上进行瞬态计算。

► 选择左上方的Model窗口，点选Centrifugal模型；

► 在左下方的Properties窗口，设置Simulation Method为Transient（Moving Grid）；

► 设置Number of Revolution及运行圈数为3；

► 设置Time StepsPer Pocket为20；

► 注意：Time Steps Per Pocket Rotation指从一个叶片旋转至相邻叶片所需时间步，假设t为泵旋转1周的时间（即Number of Revolutions设为1），若叶片数为6，则泵旋转一周所需时间步为6*20=120，则时间步长为Δt=t/120，t则由转速决定。

► 设置Results Saving Frequency即保存频率为120。若需要制作动画，可将保存频率值设置为5或其他合适值。

► 激活高级模式：在Model窗口下，点选Centrifugal模型；在Properties窗口下，设置Setup Options为Extended Mode；

► 在Model窗口下，选择Flow模型；在Properties窗口下，设置Numerical

Scheme/Velocity为2nd Order Upwind。

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► 注意：The Second Order Upwind Scheme相比The First Order Upwind Scheme精度更高，对于离心泵数值仿真，一般推荐采用非定常数值仿真，速度项采用二阶迎风格式。

► 保存该算例文件，可将其与标准算例文件“centrifugal_s_prepared_model_trans_”对比，检查模型的正确性。其默认路径为C:/Program Files/ Simerics/Tutorials/Centrifugal。

► 点击start，即可开始进行瞬态仿真计算。

1.5计算结果查看

► 云图显示。在Geometric Entities窗口的Volumns部分，选择需要查看的流体域，在Results窗口下，选择对应的变量即可显示云图（如压力、速度、气体体积分数、涡量等）。

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►

数据曲线生成及查看。在Geometric Entities窗口的Volumns部分，选择需要监测的边界面，点击工具栏上的Add XY-Plot命令，在页面下方会新增Plot1窗口，选择需要查看的变量（如出口压力、功率、扭矩、受力等），生成曲线即可。

► 如需查看具体的数据或需要对结果数据进行再处理，可以通过copy date命令将数据直接粘贴至Excel或其他数据处理软件。

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► 创建截面云图。在Geometric Entities窗口下，点击Create a Cross-Section 命令，在窗口下方新增Derived Surfaces选项，选择新创建的截面，可通过拖动滑块或设置截面位置的方式确定某一截面位置。

► 查看速度矢量，选择上步骤创建的截面，在Results窗口下，勾选Vectors选项，即可显示矢量。同时也可选择不同的参数给速度矢量以颜色显示，如压力。在Properties窗口，View命令下可调速度矢量的大小，箭头大小，投影以及透明度显示等。

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► 流线显示。计算完成后，选择Model窗口，点击Select Modules命令，添加Streamline模型。选择释放流线边界面（如进口边），在Properties窗口下设置Release Particle为Yes，即可显示流线，流线厚度、数目及颜色标注等均可调。

► 动画制作。在瞬态计算开始前，设置保存频率为5，即每隔5时间步保存一个结果，当计算完成后，在当前目录下则会存储多个结果文件。在模型显示区域，将三维显示效果调至最佳位置，然后在Flie下面选择Save animation，弹出对话框，选择对应的所有结果文件，然后点击“打开”，在给定该动画的名称，点击保存即可生成后缀为.gif的动画文件。

► 空化计算结果查看，先选择需要查看的流体区域，然后在Results窗口下选择空化变量，PumpLinx后处理中关于空化结果共有三个选项，即Gas volumn

fraction/Vapor volumn fraction/Total volumn fraction，如下图所示，分别表示非凝结气的气体体积分数/由于汽化而产生的气体的体积分数/总的体积分数，用户可根据监测标准查看对应的结果。

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