六十六、Fluent离心泵旋转流场模拟
1. 离心泵的工作原理
离心泵的工作原理可以概括为液体通过泵轮的旋转产生离心力，使液体在泵体内形成旋转的涡流，然后涡流中的液体在离心力的作用下压力增加，并被推送到高压区域。这样，离心泵能够将液体从低压区域输送到高压区域。
2. 模型描述
本文模拟离心泵泵水的过程，泵叶轮有5个叶片，旋转速度为1450转/分。蜗壳出口的质量流量为90 kg/s。入口表压为0 pa。模拟将确定泵产生的压头，表示流体的总压力增加
3. 基本设置
3.1 导入网格：
使用Fluent软件打开Chapter66.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为3D模型，打开Fluent软件时需勾选3D
导入mesh文件后，点击Display，将显示模型
3.2 修改模型尺寸
本案例模型尺寸不需要修改，打开Scale mesh查看模型尺寸是否正确
3.3 求解器设置
此处保持默认设置即可。基于密度求解器，稳态设置，不勾选重力
4. 设置计算模型
4.1 湍流模型设置
不打开能量方程
湍流方程选择k-omega-SST模型，与其他双方程模型相比，如k-e模型，k-omega-SST湍流模型对于叶轮机械中的流动分离模拟更加准确
4.2 设置water材料属性
在材料设置界面，双击air，打开材料设置界面。点击Fluent Database
在Fluent Fluid Material栏下滑到最下面，找到water-liquid，点击下面的copy，即将液体water复制到材料中
5. 计算域条件设置
本案例有两个计算域，分布为impeller叶轮和volute蜗壳
5.1 impeller设置
双击impeller，弹出如下界面
Material Name选择water-liquid
勾选Frame Motion
Rotational Velocity下的Speed (rpm)设置为1450
Rotation-Axis Direction设置z轴为1
单击apply
注：Frame Motion和Mesh Motion的适用性
Frame Motion用于在相对于固定坐标系定义流体运动时使用。当流体的运动简单且可以由几个参数定义时。例如，如果想模拟绕旋转圆柱的流动，可以使用Frame Motion。
Mesh Motion用于在相对于网格定义流体运动时使用。当流体的运动复杂且不能由几个参数定义时。例如，如果想模拟发动机中活塞周围的流动，可以使用Mesh Motion。
简单来说，Frame Motion是坐标系动，Mesh Motion是网格动，复杂性Frame Motion<Mesh Motion<yynamic mesh
5.2 volute设置
双击volute，弹出如下界面
Material Name 选择water-liquid
其他的保持默认即可
6. 边界条件设置
本案例的边界很多，但是对于internal和interface这里边界基本不需要设置，只需要对inlet和wall边界进行设置即可
6.1 wall边界设置
impeller-hub为叶轮轮毂，因此会随着叶轮一起运动，其相对于叶轮间的流体可认为是静止的。
inblok-shroud为入口的壁面，相对于绝对坐标系是静止的。
对impeller-hub边界进行设置，双击impeller-hub
Wall Motion栏选择Moving Wall，Motion栏选择Relative to Adjacent Cell Zone，下面勾选Rotational。其他的保持默认。
解释一下：
Wall Motion栏选择Moving Wall表示impeller-hub是移动壁面，不是固定不动的；
Motion栏是对这个移动壁面的运动进行具体的设置。
选择Relative to Adjacent Cell Zone，表示下面的运动设置都是相对于相邻计算域的.
举个例子，比如下面设置选择Rotational，设置速度speed为100，表示的并不是impeller-hub旋转速度是100r/min，而是相对于相邻计算域（impeller是1450r/min），旋转速度是100r/min，即1550r/min
勾选Rotational，表示运动是旋转运动，因此需要设置旋转轴的坐标和方向。
由于impeller-hub相对于impeller是静止的，因此Speed设置速度是0。
对inblock-shroud边界进行设置，双击inblock-shroud
Wall Motion栏选择Moving Wall，Motion栏选择Absolute，下面勾选Rotational。其他的保持默认。
由于inblock-shroud相对于绝对参考系是静止的，因此Speed设置速度是0。
这里Wall Motion设置为Stationary Wall即固定壁面也是可以的，上述设置只是为演示需要。
6.2 inlet设置
inlet边界条件设置为压力入口
将Supersonic/Initial Gauge Pressure设置为-100pa。这个压力只是初始化压力，对计算结果无影响。参考文章五十二、Fluent瞬态可压缩流动
6.3 outlet设置
设置mass-flow-outlet-11为质量流量出口。Fluent默认
mass-flow-outlet-11为质量流量入口，需要进行更改
双击mass-flow-outlet-11，设置Mass Flow Rate为90
7. Turbo Model涡轮模型
打开Turbo Model涡轮模型，
创建turbo interfaces.
Mesh Interface：输入nps
Interface Zones Side 1：选择 interface-impeller-outlet
Interface Zones Side 2：选择interface-volute-outlet
Interface Options：勾选General Turbo Interface
General Turbo Interface：选择No Pitch-Scale
8. 求解设置
8.1 求解方法
Spatial Discretization-Gradient 选择Green-Gauss Node Based
勾选High Order Term Relaxation
勾选Pseudo Transient，参考文章四十三、Fluent增强收敛性-伪瞬态计算
8.2 求解控制
保持默认即可
9.监测物理量
9.1 监测蜗壳出口的总压力
双击Reports Definitions，弹出下图窗口
依次点击New，Surface Report，Mass-Weighted Average可弹出下图窗口。
name：输入p-out
Field Variable：选择Pressure...和Total Pressure
Surfaces：选择Outlet下的mass-flow-outlet-11
勾选Report-Plot，在Fluent会显示曲线图
检测mass-flow-outlet-11面的总压力，以质量平均方式计算出口平均总压力。
9.2 检测入口总压
重复8.1的步骤，直到弹出下图
name：输入p-in
Field Variable：选择Pressure...和Total Pressure
Surfaces：选择inlet下的inlet
勾选Report-Plot，在Fluent会显示曲线图
检测inlet面的总压力，以质量平均方式计算入口平均总压力。
9.3 叶片blade检测
双击Reports Definitions，弹出下图窗口
依次点击New，Surface Report，Integral可弹出下图窗口
name：输入p-blade
Field Variable：选择Pressure...和Static Pressure
Surfaces：选择wall下的blade
勾选Report-Plot，在Fluent会显示曲线图
检测blade面的静压力，对blade进行静压力积分计算。
9.4 创建泵头表达式
双击Reports Definitions，弹出下图窗口
单击Expression，输入公式
name：输入head
公式栏输入：({p-out} - {p-in}) / (998.2[kg/m^3] * 9.81[m/s^2])
其中的998.2为水的密度，9.81为重力加速度，这里是计算压力差产生的泵压头。
勾选Report Plot，表示在图形界面显示曲线图
勾选Print to Console，表示在控制台输出值
10. 初始化
混合初始化
单击More Settings...，对混合初始化进行高级设置。
勾选Absolute
用于设置初始速度是绝对速度（absolute）还是相对速度。只有当问题涉及移动参照系moving reference frames或者sliding meshes网格时，此选择才有意义。如果没有，则这两个选项是等效的。
勾选Use Specified Initial Pressure on Inlets
正常混合初始化是无法设置初始物理场的，勾选此选项，表示使用inlet压力作为初始化压力。
回到混合初始化界面，单击initialize
11. 计算设置
Number of Iterations设置为500，
Timescale Factor设置为10，这是伪瞬态设置，可参考文章四十三、Fluent增强收敛性-伪瞬态计算
单击 Calculate
12. 后处理
12.1泵产生的水头
12.2 出口总压和压头曲线
12.3 速度云图
12.4 压力云图
链接：https://pan.baidu.com/s/1N_F2XNM_IaCxjcDUJXqjjg?pwd=duix
提取码：duix
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