叶片泵定常计算及湍流模型选择方法

1）创建工作目录：打开CFX，在【Working Directory】后面单击，在弹出的窗口中选择工作目录，如图4-1所示。

图4-1 设置工作目录对话框

2）进入CFX-Pre工作环境：单击CFX-Pre 12.0图标，弹出程序工作环境，如图4-2所示。

图4-2 CFX-Pre工作环境

3）新建计算文件：单击【File】→【New Case】，在弹出的对话框中选择【General】并单击【OK】；单击【File】→【Save Case】，将计算文件保存为Steady.cfx。

如图4-3所示，CFX主界面主要分为主菜单、控制树、主工具箱、浏览工具条、浏览界面以及信息窗口等六部分。

图4-3 CFX-Pre工作界面简介

图4-4 导入网格文件选项

离心泵CFX计算设置按照控制树由上至下的顺序来定义模型。

4）导入计算网格文件：单击【File】→【Import】→【Mesh】，弹出导入对话框，如图4-4所示，在Files of type中选择ICEM CFD（*.cfx*.cfx5），右侧的Mesh Units选择mm。选择导入的网格文件，单击【Open】。导入网格文件后在CFX中显示如图4-5，控制树中出现软件自动创建的计算域。注意选择网格时候要选择所有的网格文件（主要包括Im-pller.cfx5、Inlet.cfx5、outlet.cfx5以及volute.cfx5等四个文件）。

图4-5 导入网格文件

5）定义计算类型：这里需要定义计算是定常还是非定常。在左侧模型树上选择【Anal-ysis Type】，双击进入属性编辑，如图4-6所示。如果是定常计算，就将【Analysis Type】选为【Steady State】，并单击【Apply】按钮，完成计算类型的定义。

图4-6 定义计算类型

6）定义计算域：首先对各个计算网格进行定义，单击【Insert】→【Domain】或直接单击工具条上的，弹出的对话框，并在对话框中输入计算域名称，如图4-7所示。这里需要定义的有叶轮IMPELLER、进口延长段INLET、蜗壳VOLUTE、出口延长段OUTLET。

图4-7 创建计算域

图4-8 定义叶轮计算域属性

7）定义叶轮计算域属性：计算域属性定义中主要包括计算域基本属性、运动属性、传热模型和湍流模型等。离心泵四个计算域中，叶轮属于旋转域，进口延长段、蜗壳及出口延长段属于静止域。

对于叶轮旋转域，在定义计算域名称IMPELLER后，单击【OK】按钮，左侧控制树弹出计算域选项卡，如图4-8所示。单击【Location】后的，弹出图4-8的【Selection Dia-log】，选中叶轮计算网格，单击【OK】按钮；在流体属性中，选择材料为Water；在参考压力输入框中，输入参考压力为0 atm，定义计算域属性过程如图4-8所示。

图4-9 定义叶轮运动属性

定义叶轮旋转域的运动属性。控制树向下拉会看见Domain Motion区域，单击该区域下的【Option】→【Rotating】，在下面的【Angular Velocity】输入栏里输入叶轮的旋转速度，旋转速度的正负服从“右手法则”，“大拇指”指向旋转轴方向；在下方【Axis Definition】区域定义旋转轴如图4-9所示。

定义叶轮传热模型和湍流模型。由于CFD求解纳维-斯托克方程，需要传热模型以及湍流模型，方程才可以闭合，因此需要定义传热及湍流模型。控制树选择【Fluid Models】定义，定义过程如图4-10所示。

图4-10 定义叶轮传热模型和湍流模型

对于湍流模型的选择，从图4-10可以看到，CFX中有叶片泵CFD计算常用的湍流模型，主要包括：k-Epsilon、RNG k-Epsilon、Shear Stress Transport（SST）、k-Omega等。其中k-Epsilon模型是目前应用最广泛的工程湍流模型，其方程以耗散尺度作为特征长度，由求解相应的偏微分方程得到，适用范围更为广泛。研究结果表明，它能够较好地用于某些复杂的三维湍流。该方法已经广泛地应用于流体机械内部的流场预测。重整化群k-ε湍流模型（Renormalization Group，RNG k-ε）就是对标准k-ε湍流模型的一种改进，在模拟间隙中由于剪切运动导致的湍流作用时有较大的优势。SST k-ω模型是在BSL k-ω模型的基础上改进了涡黏性的表达式，以考虑湍流主切应力主项的影响，这样，SST k-ω模型使得对逆压梯度流动的预测（如分离流）得到了重要的改进。选择不同湍流模型对于计算结果略有差异，需根据实际情况进行比较选择。

8）定义静止域属性：离心泵静止计算域包括进口延长段、蜗壳及出口延长段三部分，命名分别为进口延长段INLET、蜗壳VOLUTE、出口延长段OUTLET，其计算域基本属性、传热模型和湍流模型等与叶轮计算域定义相同。在运动属性定义中，由于这三部分为静止部分，单击【Domain Motion】下的【Option】选择Stationary。详细的定义过程如图4-11、图4-12、图4-13所示。

图4-11 定义进口延长段计算域属性

图4-12 定义蜗壳计算域属性

图4-13 定义出口延长段计算域属性(www.xing528.com)

9）定义进口边界条件：CFD计算需要定义两端边界，即“进口边界”和“出口边界”。进口边界定义在进口延长段的进口边。单击【Insert】→【Boundary】→【Inlet Do-main】或直接单击工具条上的并选中下拉菜单中的Inlet计算域，在弹出的对话框中输入inlet，如图4-14所示。

图4-14 创建进口边界

在创建名称为inlet的进口边界后，单击【OK】按钮，左侧控制树弹出边界条件属性编辑标签，如图4-15所示。在第一个标签【Basic Settings】中，选择【Boundary Type】为【Inlet】；单击Location后的，在弹出的对话框中选择对应的进口延长段的进口表面。单击第二个标签【Boundary Details】，在【Mass And Momentum】中的【Option】栏选择Total Pressure（stable）作为边界条件类型，并输入具体的值为1atm；定义入口的湍流强度，【Turbulence】选为Medium（Intensity=5%）；单击【Apply】按钮，完成进口边界条件定义，如图4-15所示。

图4-15 进口边界条件定义

10）定义出口边界条件：创建出口边界步骤与创建进口边界相同，单击【Insert】→【Boundary】→【Outlet Domain】或直接单击工具条上的并选中下拉菜单中的Outlet出口延长段计算域，在弹出的对话框中输入outlet，单击【OK】按钮，左侧控制树弹出边界条件属性编辑标签，如图4-16所示。

图4-16 出口边界条件定义

在第一个标签【Basic Settings】中，【Boundary Type】选择为Outlet；单击Location后的，在弹出的对话框中选择对应的出口延长段的出口表面。单击第二个标签【Boundary Details】，在【Mass And Momentum】的【Option】中选择Mass Flow Rate作为边界条件类型，并输入具体的值为2.77kg/s（根据泵的流量进行定义），也可选择Normal Speed作为边界条件并输入相对应的出口速度值；单击【Apply】按钮完成出口边界条件定义。

11）定义旋转计算域的壁面条件：单击【Insert】→【Boundary】→【IMPELLER】或直接单击工具条上的并选中下拉菜单中的IMPELLER叶轮计算域，在弹出的对话框中输入blade，单击【OK】按钮，左侧控制树弹出边界条件属性编辑标签，如图4-17所示。在第一个标签【Basic Settings】中，选择【Boundary Type】为Wall；单击【Location】后的，在弹出的对话框中选择对应的叶片表面；参考坐标系【Frame Type】选为Rotating。单击第二个标签【Boundary Details】，在【Mass And Momentum】的【Option】中选择No Slip Wall作为边界条件类型；在【Wall Velocity】的【Option】中选择Rotating Wall，并输入具体的值为0[rev min-1]；旋转轴选为Global Z，与叶轮旋转坐标一致；壁面的表面粗糙度【Wall Roughness】选为无滑移壁面Smooth Wall（读者可以根据实际情况定义表面粗糙度的大小）；单击【Apply】按钮，完成旋转计算域壁面条件定义。旋转计算域的其余壁面（前盖板shroud和后盖板hub）与叶片blade定义方式相同，定义后叶轮旋转域壁面条件如图4-18所示。

图4-17 叶轮旋转域的叶片的壁面边界条件定义

图4-18 旋转计算域的壁面边界条件定义结果

12）定义静止计算域的壁面条件：单击【Insert】→【Boundary】→【Volute Domain】或直接单击工具条上的并选中下拉菜单中的VOLUTE静止计算域，在弹出的对话框中输入volute wall，单击【OK】按钮，左侧控制树弹出边界条件属性编辑标签，如图4-19所示。在第一个标签【Basic Settings】中，选择【Boundary Type】为Wall；单击【Location】后的，在弹出的对话框中选择对应的蜗壳壁面；参考坐标系【Frame Type】默认为全局静止坐标系。单击第二个标签【Boundary Details】，在【Mass And Momentum】的【Option】中选择No Slip Wall作为边界条件类型；不勾选【Wall Velocity】选项；壁面的表面粗糙度【Wall Roughness】选为无滑移壁面Smooth Wall（读者可以根据实际情况定义表面粗糙度的大小），单击【Ap-ply】按钮完成静止计算域壁面条件定义。静止计算域的其余壁面包括进口延长段管道壁面、出口延长段管道壁面的边界条件定义类同，定义后静止计算域壁面条件如图4-20所示。

图4-19 蜗壳静止域的壁面边界条件定义

图4-20 静止域壁面边界条件

13）定义动-静计算域交界面：交界面的定义的作用是为了不同计算域之间数据传递。由于存在动、静两种计算域，需要采用多重参考系MRF，因此需要在动静计算域之间设置数据交界面。离心泵动-静计算域交界面包括进口延长段与叶轮间交界面Interface 1，叶轮与蜗壳间交界面Interface 2。以进口延长段与叶轮间交界面的动-静计算域交界面定义为例，单击【Insert】→【Domain Interface】或直接单击工具条上的，在弹出的对话框中输入In-terface 1，单击【OK】按钮，左侧控制树弹出交界面属性编辑标签，如图4-21所示。

图4-21 定义进口延长段与叶轮间动-静计算域交界面

在第一个标签【Basic Settings】中，在【Interface Side 1】的【Domain】后单击，在弹出的对话框中选择进口延长段计算域INLET，在【Region List】后单击，在弹出的对话框中选择进口延长段与叶轮相连接的表面JKYC_IMP；在【Interface Side 2】的【Domain】后单击，在弹出的对话框中选择叶轮计算域IMPELLER，在【Region List】后单击，在弹出的对话框中选择叶轮与进口延长段相连接的表面IMP_JKYC；交界面的连接模型【In-terface Model】的【Option】选为【General Connection】；坐标系变换【Frame Change/Mixing Model】的【Option】选为【Frozen Rotor】；面积比【Pitch Change】的【Option】选为【Specified Pitch Angles】，并输入具体的值【Pitch Angle Side 1】为360°，【Pitch Angle Side2】为360°；网格连接方式【Mesh Connection】选为【GGI】；单击【Apply】按钮完成进口延长段与叶轮交界面的动-静计算域交界面定义。叶轮与蜗壳间交界面的动-静计算域交界面定义与此相同，具体如图4-22所示。

图4-22 定义叶轮与蜗壳间动-静计算域交界面

14）定义静-静计算域交界面：离心泵静-静计算域交界面为蜗壳与出口延长段间交界面Interface 3。单击【Insert】→【Domain Interface】或直接单击工具条上的，在弹出的对话框中输入Interface 3，单击【OK】按钮，左侧控制树弹出交界面属性编辑标签，如图4-23所示。在第一个标签【Basic Settings】中【Interface Side 1】的【Domain】后单击，在弹出的对话框中选择出口延长段计算域OUTLET，在【Region List】后单击，在弹出的对话框中选择出口延长段与蜗壳相连接的表面CKYC_VOL；在【Interface Side 2】的【Domain】后单击，在弹出的对话框中选择涡壳计算域VOLUTE，在【Region List】后单击，在弹出的对话框中选择蜗壳与出口延长段相连接的表面VOL_CKYC；交界面的连接模型【In-terface Model】选为【General Connection】；坐标系变换【Frame Change/Mixing Model】选为None；面积比【Pitch Change】的【Option】选为None；网格连接方式【Mesh Connection】的【Option】选为【GGI】；单击【Apply】按钮完成静-静计算域交界面的定义。

图4-23 定义蜗壳与出口延长段间静-静计算域数据交界面

15）定义求解器参数：双击模型树上的【Solver Control】或直接单击工具条上的，左侧控制树弹出求解参数属性编辑标签，如图4-24所示。在第一个标签【Basic Settings】中，在对流项【Advection Scheme】的【Option】选为High Resolution；湍流数值项【Turbu-lence Numerics】的【Option】选为First Order；设置求解总步数，【Convergence Control】的【Max.Iterations】输入1000（读者可以自行调整）；求解参数的时间项【Timescale Control】选为Physical Timescale，并输入具体值为0.002[s]（一般设为叶轮转速的倒数）；收敛判据【Convergence Criteria】选为平均值RMS，并输入具体的值（收敛精度越高计算结果越准确但计算时间越长，取1.E-4即满足一般的工程需要）；单击【Apply】按钮，完成求解器参数的定义。注意，CFX计算终止有两种方式，一是计算求解步数达到设定的求解总步数，二是达到收敛精度，只要一个条件满足则计算终止。

16）导出求解文件：在主工具箱最右端选择【Write Solver Input File】，如图4-25所示，在弹出的对话框中输入求解文件的名称，并保存。

图4-24 求解器控制参数定义

图4-25 导出求解文件

17）计算：找到上步保存好的.def文件，双击打开，弹出如图4-26所示对话框，在进行定常计算时通常不需要初始流场。网格较少的情况下不需要开启并行计算模式，开启并行计算的方法如图4-26标注，在【Run Mode】的复选框中选择【HP MPI Local Parallel】，单击按钮，增加并行CPU的个数。在下方【Run Environment】中选择要保存结果的工作目录。最后单击【Start Run】按钮，开始计算。

图4-26 定常文件及并行计算的设置

18）不同工况的计算：通常对泵的计算要考虑到多个工况，只需要在以上操作的第10）步根据工况改变质量流量出口边界条件，其余的操作不变。