搜索PumpLinx離心泵數(shù)值仿真指導(dǎo)教程
2017-05-14 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1.離心泵數(shù)值仿真指導(dǎo)教程
本貼旨在對(duì)離心泵數(shù)值仿真流程和步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。首先需要強(qiáng)調(diào)的是,PumpLinx算例文件目錄下會(huì)生成幾個(gè)重要文件,其中“.sgrd”文件為網(wǎng)格文件,記錄網(wǎng)格信息;“.spro”文件為工程文件,記錄模型及邊界條件設(shè)置信息;如需打開一個(gè)完整的算例,工程文件和網(wǎng)格文件缺一不可。“.stl”文件為PumpLinx支持的幾何模型導(dǎo)入格式。
PumpLinx算例文件說明
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centrifugal_s_intial_stl_surface_v3.4.sgrd centrifugal_s_intial_stl_surface_v3.4.spro |
將離心泵流體域初始幾何模型導(dǎo)入PumpLinx,未做任何操作的算例文件。 |
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centrifugal_s_prepared_surfaces_v3.4.sgrd centrifugal_s_prepared_surfaces_v3.4.spro |
將離心泵流體域初始幾何模型各邊界面切分并定義后的算例文件。 |
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centrifugal_s_prepared_mesh_v3.4.sgrd centrifugal_s_prepared_mesh_v3.4.spro |
完成離心泵網(wǎng)格劃分操作的算例文件。 |
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centrifugal_s_prepared_mesh_v3.4.sgrd centrifugal_s_prepared_model_v3.4.spro |
完成離心泵定常求解模型設(shè)置的算例文件。 |
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centrifugal_s_prepared_mesh_v3.4.sgrd centrifugal_s_prepared_model_trans_v3.4.spro |
完成離心泵非定常求解模型設(shè)置的算例文件。 |
1.1離心泵幾何模型導(dǎo)入
?在CAD軟件中將離心泵進(jìn)口段、轉(zhuǎn)子部分和蝸殼出口段分別以stl格式導(dǎo)出。
?注意:在導(dǎo)出幾何模型之前,需要將進(jìn)口段、轉(zhuǎn)子部分和蝸殼出口段分成三個(gè)部分,以便在進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)可以順利生成動(dòng)/靜流體域之間的交互面。如下圖所示:
?運(yùn)行PumpLinx軟件,新建一個(gè)工程文件,界面如下:
?選擇界面左邊的Mesh窗口命令(一共4個(gè)窗口選項(xiàng),分別是Mesh,Model,Simulation和Result,分別代表各個(gè)步驟)。
?選擇Import/Export Geometry or Grid命令,點(diǎn)擊Import Surface From STLTriangulation File,選擇事先從CAD文件中導(dǎo)出的stl文件,如圖所示:
?此步驟也可直接打開PumpLinx標(biāo)準(zhǔn)算例文件“centrifugal_s_intial_stl_surface_v3.4.spro”,其默認(rèn)存儲(chǔ)路徑為:C: /Program Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal。
1.2 切分離心泵邊界面
1.2.1 對(duì)離心泵流體域進(jìn)行分區(qū)
?點(diǎn)擊Split/Combine Geometry or Grid命令,選擇SplitDisconnected命令對(duì)分塊的幾何模型進(jìn)行切分。
?幾何體被分為pump_1,pump_2和pump_3三部分,分別將對(duì)應(yīng)部分命名為Inlet,Rotor和Volute,即進(jìn)口、轉(zhuǎn)子和蝸殼三部分。
?重命名pump_1為volute,即蝸殼出口部分;
?重命名pump_2為rotor,即轉(zhuǎn)子部分;
?重命名pump_3為inlet,即進(jìn)口部分。
1.2.2 切分并定義進(jìn)口段邊界面
?選擇進(jìn)口段幾何模型,設(shè)置75度分割角,點(diǎn)擊Splitby Angle選項(xiàng),將進(jìn)口段分為inlet_1,inlet_2和inlet_3三部分。
?重命名inlet_1為inlet_wall,即進(jìn)口壁面;
?重命名inlet _2為inlet_mgi,即進(jìn)口與轉(zhuǎn)子部分的交互面;
?重命名inlet _3為inlet_inlet,即進(jìn)口面。
1.2.3 切分并定義轉(zhuǎn)子部分邊界面
?選擇轉(zhuǎn)子部分幾何模型,設(shè)置30度分割角,點(diǎn)擊Split by Angle選項(xiàng),轉(zhuǎn)子部分切分成rotor_01至rotor_20數(shù)個(gè)部分。由于設(shè)置了Maximum Num. of Splits值為20,因此最多允許劃分的幾何面為20。
?重命名rotor_01為rotor_top,即外蓋板面;
?重命名rotor_02為rotor_bottom,內(nèi)蓋板面;
?重命名rotor_03為rotor_mgi,轉(zhuǎn)子與蝸殼部分的交互面;
?重命名rotor_10為rotor_inlet,轉(zhuǎn)子與進(jìn)口部分的交互面;
?合并rotor_04至rotor_09,rotor_11至rotor_20部分,并重命名為rotor_blades。
1.2.4 切分并定義蝸殼出口部分邊界面
?選擇蝸殼出口段幾何模型,設(shè)置89度分割角,點(diǎn)擊Split by Angle選項(xiàng),蝸殼出口段被劃分為volute_1至volute_7數(shù)個(gè)部分。
?重命名volute_1為volute_wall,蝸殼壁面;
?重命名volute_2為volute_mgi,蝸殼與轉(zhuǎn)子部分交互面;
?重命名volute_5為volute_outlet,蝸殼出口;
?合并剩下的面,并重命名為volute_rotating_walls。
?最終切分好的邊界面如下圖所示:
?該步驟完成后,可將此文件與算例文件“centrifugal_s_prepared_surfaces_v3.4.spro”對(duì)比,該算例文件默認(rèn)路徑為:C: /Program Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal。
?保存該文件。
1.3 生成網(wǎng)格
1.3.1創(chuàng)建入口段網(wǎng)格模型
?在Mesh窗口下,選擇General Mesher命令。
?在界面右邊的Geometric Entities窗口下,選擇定義好的進(jìn)口部分的所有幾何面,注意一定是封閉的進(jìn)口段幾何體。
?設(shè)置網(wǎng)格劃分參數(shù),其中最大網(wǎng)格尺度為0.05,最小網(wǎng)格尺度為0.001,面網(wǎng)格尺度為0.025。此處采用的是相對(duì)尺寸的方法劃分網(wǎng)格,以x方向?yàn)槔?x方向上存在最大和最小幾何尺寸,將最大幾何尺寸和最小幾何尺寸之間的距離視為單位長(zhǎng)度,當(dāng)網(wǎng)格尺度為0.04時(shí),該單位長(zhǎng)度乘以0.04即為最大網(wǎng)格的尺寸。
?網(wǎng)格生成后,在Geometric Entities窗口下,會(huì)新增generalmesh網(wǎng)格,即為進(jìn)口部分網(wǎng)格模型,點(diǎn)開左邊的小三角符號(hào),將新增的general mesh重命名為inlet。
?網(wǎng)格顯示在Result窗口下,先在Geometric Entities窗口下選擇新生成的Inlet部分網(wǎng)格模型;在Result窗口下勾選Grid選項(xiàng),即可顯示網(wǎng)格。
?如網(wǎng)格密度不夠,可通過調(diào)整最大網(wǎng)格尺寸和面網(wǎng)格尺寸,細(xì)化進(jìn)口部分的網(wǎng)格。
1.3.2創(chuàng)建轉(zhuǎn)子部分網(wǎng)格模型
?在Mesh窗口下,選擇General Mesher命令;
?設(shè)置Maximum Cell Size為0.04,Cell size onSurfaces為0.01;
?在界面右邊的Geometric Entities窗口下,選擇定義好邊界面的轉(zhuǎn)子部分流體域,注意一定是封閉的幾何體模型。即以下幾何面:
-rotor_blades
-rotor_bottom
-rotor_inlet
-rotor_mgi
-rotor_top
?點(diǎn)擊Creat Mesh命令,即可生成轉(zhuǎn)子部分網(wǎng)格。
?轉(zhuǎn)子部分網(wǎng)格生成以后,在Geometric Entities窗口下,新增generalmesh網(wǎng)格,點(diǎn)擊左邊的小三角符號(hào),出現(xiàn)Boundaries選項(xiàng),點(diǎn)開左邊的小三角符號(hào),選擇rotor_blades面與sub-features面,然后點(diǎn)擊“Mesh”窗口下Split/Combine Geometry or Grid命令,選擇Combine選項(xiàng),然后點(diǎn)擊Combine命令,即將這兩個(gè)面合并為一個(gè)幾何面。sub-features是網(wǎng)格生成過程中產(chǎn)生的小碎面,將此部分與對(duì)應(yīng)的幾何面合并即可。
?注意:合并時(shí)先選擇rotor_blades,再選擇sub-features,新合并的幾何面即會(huì)以rotor_blades命名。
?將新生成的generalmesh重命名為rotor。
1.3.3創(chuàng)建蝸殼出口段網(wǎng)格模型
?在Geometric Entities窗口下,選擇CADSurfaces部分的volute_mgi幾何面;
?在Mesh窗口下,選擇General Mesher命令;
?設(shè)置Maximum Cell Size即最大網(wǎng)格尺寸0.04(Properties窗口);
?設(shè)置Cell Size on Surfaces即面網(wǎng)格尺寸0.01(Properties窗口);
?設(shè)置Cell Size on Boundaries選項(xiàng)為User Input,點(diǎn)開三角符號(hào)下拉菜單,設(shè)置Size為0.002。此步驟即為對(duì)volute_mgi面進(jìn)行面網(wǎng)格加密(Properties窗口);
?選擇蝸殼部分所有幾何面:
-volute_mgi
-volute_outlet
-volute_rotating_walls
-volute_wall
?在Properties窗口,點(diǎn)擊Creat Mesh,在Geometric Entities窗口下即生成新的genernalmesh部分網(wǎng)格,將其重命名為volute,即蝸殼出口段網(wǎng)格模型。
?在Geometric Entities窗口下,將volute部分boundaries點(diǎn)開,合并volute_wall和sub-features,并以volute_wall重命名。注意先選擇volute_wall再選擇sub-features,合并后即可以volute_wall命名。
?注意:將此文件保存,并與標(biāo)準(zhǔn)算例文件“centrifugal_s_prepared_mesh_v3.4..spro”對(duì)比。其默認(rèn)路徑為C:/Program Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal。在生成網(wǎng)格過程中,可在Results窗口下,勾選Grid選項(xiàng),監(jiān)測(cè)網(wǎng)格的細(xì)密程度。如網(wǎng)格不夠細(xì)致,可通過調(diào)整最大網(wǎng)格尺寸、最小網(wǎng)格尺寸和面網(wǎng)格尺寸來達(dá)到調(diào)試網(wǎng)格質(zhì)量的目的。
1.4創(chuàng)建交互面
1.4.1創(chuàng)建進(jìn)口與轉(zhuǎn)子的交互面
?在Geometric Entities窗口下,選擇inlet_mgi面,按住Ctrl鍵再選擇rotor_inlet面,此時(shí)connectselected boundaries via MGI命令被激活,點(diǎn)擊該命令,即生成進(jìn)口與轉(zhuǎn)子部分的交互面。
?注意:創(chuàng)建交互面后,新增Mismatched GridInterfaces和Interfaces選項(xiàng),選擇Interfaces,幾何顯示區(qū)域需如下圖所示。如顯示區(qū)域不對(duì),說明交互面創(chuàng)建有問題,需檢查交互面的創(chuàng)建。
1.4.2創(chuàng)建轉(zhuǎn)子與蝸殼出口段的交互面
?在Geometric Entities窗口下,選擇rotor_mgi面,按住Ctrl鍵再選擇volute_mgi面,此時(shí)connectselected boundaries via MGI命令被激活,點(diǎn)擊該命令,即生成轉(zhuǎn)子與蝸殼部分的交互面。
?此時(shí)點(diǎn)擊Interfaces選項(xiàng),交互面如下圖所示:
1.5模型設(shè)置及求解
1.5.1調(diào)用數(shù)值計(jì)算所需模型
?在Model窗口下,點(diǎn)擊Select Modules命令;
?添加Centrifugal,Cavitation和Turbulence模型,即離心泵、空化和湍流模型。
?通常情況下,調(diào)用離心泵模板后,湍流和空化模型的設(shè)置已內(nèi)置好,用戶無(wú)需做其他操作。如果遇到收斂性不佳的情況,可將Centrifugal調(diào)至高級(jí)模板,上調(diào)Flow/ Cavitation/Turbulence下對(duì)應(yīng)項(xiàng)的松弛因子即Relaxation至0.1-0.3,提高收斂穩(wěn)定性,一般無(wú)需此操作。
1.5.2設(shè)置離心泵運(yùn)行參數(shù)
?在Model窗口下,選擇Centrifugal模板;
?在Properties窗口下,設(shè)置葉片數(shù)為6;
?在Properties窗口下,設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?/span>Counterclockwise即逆時(shí)針。旋轉(zhuǎn)方向判定法則為:旋轉(zhuǎn)軸正方向面對(duì)用戶時(shí),此時(shí)葉輪的旋轉(zhuǎn)方向即為設(shè)定方向;
?在Properties窗口下,設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為990rpm;
?在Properties窗口下,設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸矢量為[0,1,0];
?注意:葉片數(shù)的設(shè)置是用來定義非定常計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng),對(duì)其他設(shè)置沒有影響。例如,假設(shè)t為泵旋轉(zhuǎn)1周的時(shí)間(即Number ofRevolutions設(shè)為1),Time Steps PerPocket Rotation指從一個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)至相鄰葉片所需時(shí)間步,默認(rèn)值為10;若葉片數(shù)為6,則泵旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間步為6*10=60,則時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=t/60,t則由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。
?一般來說,若收斂性不佳,可增加Time Steps Per Pocket Rotation的設(shè)定值,以減少時(shí)間步長(zhǎng)。
1.5.2設(shè)置邊界條件
?設(shè)置離心泵數(shù)值仿真邊界條件如下:
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邊界面 |
邊界條件 |
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inlet_inlet |
Inlet: 101325 Pa (1 atm) |
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rotor_blades |
Rotor |
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rotor_bottom |
Rotor |
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rotor_top |
Rotor |
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volute_outlet |
Outlet : 0.15 m3/s |
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volute_rotating_walls |
Rotating Wall |
?注意:該進(jìn)出口邊界條件類型是在Template Mode模式下進(jìn)行設(shè)置的,即進(jìn)口默認(rèn)為壓力入口,出口默認(rèn)為流量出口。如需改變邊界條件類型,可在Model窗口下,將Centrifugal默認(rèn)的Template Mode更改為Advanced Mode,即高級(jí)模式。在此模式下,還可進(jìn)行收斂因子、殘差因子、計(jì)算模型等的設(shè)置調(diào)試等。
1.5.2.1入口邊界條件設(shè)置
?在Geometric Entities窗口下,在Volumns網(wǎng)格部分,選擇inlet_inlet邊界面;
?在Properties/Model窗口下,設(shè)置Centrifugal邊界類型為Inlet,Total Pressure即入口總壓為101325Pa。
1.5.2.2轉(zhuǎn)子部分邊界條件設(shè)置
?在Geometric Entities窗口下,在Volumns網(wǎng)格部分,選擇以下邊界面:
-rotor_blades
-rotor_bot
-rotor_top
?在Properties/Model窗口下,設(shè)置Centrifugal邊界類型為Rotor。
1.5.2.3蝸殼部分邊界條件設(shè)置
?在Geometric Entities窗口下,在Volumns網(wǎng)格部分,點(diǎn)選volute_rotating_walls邊界面;
?在Properties/Model窗口下,設(shè)置Centrifugal邊界類型為Rotating wall。
?注意:Rotor邊界條件是指對(duì)應(yīng)的體網(wǎng)格一同旋轉(zhuǎn),Rotating wall邊界條件僅指對(duì)應(yīng)邊界面網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)。此處主要考慮蝸殼部分volute_rotating_walls面的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
?在Geometric Entities窗口下,在Volumns網(wǎng)格部分,點(diǎn)選volute_outlet邊界面;
?在Properties/Model窗口下,設(shè)置Centrifugal邊界類型為Outlet;
?設(shè)置Volumn Flux即出口流量為0.015m3/s。
1.5.3選擇流體介質(zhì)
?點(diǎn)選Geomrtric Entities窗口下最上方的Volumns,即所有流體域網(wǎng)格模型;
?在Properties窗口下,選擇Material為Water,此處水中氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)默認(rèn)為2.3e-5,具體介質(zhì)屬性參數(shù)如下:
1.5.4創(chuàng)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)
?可根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)建監(jiān)測(cè)點(diǎn),記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
?在Geometric Entities窗口上方,點(diǎn)擊符號(hào)即創(chuàng)建一監(jiān)測(cè)點(diǎn),在Geometric Entities窗口下方新增Points選項(xiàng),重命名Point 01為Periphery。
?在Properties/Geometry窗口下,設(shè)置該點(diǎn)的坐標(biāo)為[0.0105,0,0]。如對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒有確切的幾何位置要求,可點(diǎn)擊頁(yè)面上方的符號(hào),然后拖動(dòng)該幾何點(diǎn)確定其大致位置。
1.5.5運(yùn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算
?選擇左上方的Model窗口,點(diǎn)選Centrifugal模型;
?在左下方的Properties窗口,設(shè)置Simulation Method為Steady(Multi-Reference Frame);
?保存模型;
?選擇左上方的Simulation窗口,設(shè)置迭代步為2000,點(diǎn)擊start命令即可運(yùn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。其默認(rèn)路徑為C:/Program Files/ Simerics/Tutorials/Centrifugal。
?保存該算例文件,可將其與標(biāo)準(zhǔn)算例文件“centrifugal_s_prepared_model_v3.4.spro”對(duì)比,檢查模型的正確性。
1.5.6運(yùn)行瞬態(tài)計(jì)算
?注意:穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果可作為瞬態(tài)計(jì)算的初場(chǎng);可先加載穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果,然后選擇Start from Solution,在穩(wěn)態(tài)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。
?選擇左上方的Model窗口,點(diǎn)選Centrifugal模型;
?在左下方的Properties窗口,設(shè)置Simulation Method為Transient(Moving Grid);
?設(shè)置Number of Revolution及運(yùn)行圈數(shù)為3;
?設(shè)置Time StepsPer Pocket為20;
?注意:Time Steps PerPocket Rotation指從一個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)至相鄰葉片所需時(shí)間步,假設(shè)t為泵旋轉(zhuǎn)1周的時(shí)間(即Number ofRevolutions設(shè)為1),若葉片數(shù)為6,則泵旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間步為6*20=120,則時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=t/120,t則由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。
?設(shè)置Results Saving Frequency即保存頻率為120。若需要制作動(dòng)畫,可將保存頻率值設(shè)置為5或其他合適值。
?激活高級(jí)模式:在Model窗口下,點(diǎn)選Centrifugal模型;在Properties窗口下,設(shè)置Setup Options為Extended Mode;
?在Model窗口下,選擇Flow模型;在Properties窗口下,設(shè)置NumericalScheme/Velocity為2nd Order Upwind。
?注意:The Second Order Upwind Scheme相比The First OrderUpwind Scheme精度更高,對(duì)于離心泵數(shù)值仿真,一般推薦采用非定常數(shù)值仿真,速度項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。
?保存該算例文件,可將其與標(biāo)準(zhǔn)算例文件“centrifugal_s_prepared_model_trans_v3.4.spro”對(duì)比,檢查模型的正確性。其默認(rèn)路徑為C:/Program Files/Simerics/Tutorials/Centrifugal。
?點(diǎn)擊start,即可開始進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算。
1.6計(jì)算結(jié)果查看
?云圖顯示。在Geometric Entities窗口的Volumns部分,選擇需要查看的流體域,在Results窗口下,選擇對(duì)應(yīng)的變量即可顯示云圖(如壓力、速度、氣體體積分?jǐn)?shù)、渦量等)。
?數(shù)據(jù)曲線生成及查看。在Geometric Entities窗口的Volumns部分,選擇需要監(jiān)測(cè)的邊界面,點(diǎn)擊工具欄上的Add XY-Plot命令,在頁(yè)面下方會(huì)新增Plot1窗口,選擇需要查看的變量(如出口壓力、功率、扭矩、受力等),生成曲線即可。
?如需查看具體的數(shù)據(jù)或需要對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理,可以通過copy date命令將數(shù)據(jù)直接粘貼至Excel或其他數(shù)據(jù)處理軟件。
?創(chuàng)建截面云圖。在Geometric Entities窗口下,點(diǎn)擊Create aCross-Section命令,在窗口下方新增Derived Surfaces選項(xiàng),選擇新創(chuàng)建的截面,可通過拖動(dòng)滑塊或設(shè)置截面位置的方式確定某一截面位置。
?查看速度矢量,選擇上步驟創(chuàng)建的截面,在Results窗口下,勾選Vectors選項(xiàng),即可顯示矢量。同時(shí)也可選擇不同的參數(shù)給速度矢量以顏色顯示,如壓力。在Properties窗口,View命令下可調(diào)速度矢量的大小,箭頭大小,投影以及透明度顯示等。
?流線顯示。計(jì)算完成后,選擇Model窗口,點(diǎn)擊Select Modules命令,添加Streamline模型。選擇釋放流線邊界面(如進(jìn)口邊),在Properties窗口下設(shè)置Release Particle為Yes,即可顯示流線,流線厚度、數(shù)目及顏色標(biāo)注等均可調(diào)。
?動(dòng)畫制作。在瞬態(tài)計(jì)算開始前,設(shè)置保存頻率為5,即每隔5時(shí)間步保存一個(gè)結(jié)果,當(dāng)計(jì)算完成后,在當(dāng)前目錄下則會(huì)存儲(chǔ)多個(gè)結(jié)果文件。在模型顯示區(qū)域,將三維顯示效果調(diào)至最佳位置,然后在Flie下面選擇Save animation,彈出對(duì)話框,選擇對(duì)應(yīng)的所有結(jié)果文件,然后點(diǎn)擊“打開”,在給定該動(dòng)畫的名稱,點(diǎn)擊保存即可生成后綴為.gif的動(dòng)畫文件。
?空化計(jì)算結(jié)果查看,先選擇需要查看的流體區(qū)域,然后在Results窗口下選擇空化變量,PumpLinx后處理中關(guān)于空化結(jié)果共有三個(gè)選項(xiàng),即Gas volumnfraction/Vapor volumn fraction/Total volumn fraction,如下圖所示,分別表示非凝結(jié)氣的氣體體積分?jǐn)?shù)/由于汽化而產(chǎn)生的氣體的體積分?jǐn)?shù)/總的體積分?jǐn)?shù),用戶可根據(jù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)查看對(duì)應(yīng)的結(jié)果。
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