CFX-Pre前处理软件功能及流体模型设置详解

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：从图3.2-3中我们可以知晓CFX-Pre前处理软件的大致功能。在水泵等流体机械的数值计算中，一般有叶轮这种会转动的区域，还有导叶或者蜗壳这种不转动也图3.2-3 前处理窗口图3.2-4 导入网格图3.2-5 加载网格文件就是静止的区域。图3.2-10 流体模型设置图3.2-11 旋转域的设置设置叶轮水体为旋转域，转速为1450r/min，旋转轴为Z轴。1）单击任务栏上的边界按钮“”，如图3.2-13所示，选择所在域为in。在弹出的对话框中输入边界条件名称：inlet，如图3.2-14所示。

1.模型导入

1）双击CFX图标，打开“ANSYS CFX”。选择【FILE】→【CFX-Pre】，打开CFX前处理，【File】→【newcase】→【General】→【OK】，如图3.2-2所示。

图3.2-2 新建常规模拟

导入网格前我们使用自带的例子看一下全貌图，如图3.2-3所示。

从图3.2-3中我们可以知晓CFX-Pre前处理软件的大致功能。下面我们就简要地利用前面的双叶片泵的例子给大家介绍一下CFX-Pre软件的操作流程。

2）导入网格。右键单击目录树“Outline”中的【Mesh】→【Import Mesh】→【ICEM CFD】，如图3.2-4所示。在弹出的网格导入窗口中，修改文件夹目录以及选择需要导入文件。单击【Open】，打开导入网格，如图3.2-5所示。注意导入网格时的尺寸选择，“Mesh Units”选择mm。

2.域的设置

域其实就是一个在其中控制方程将被求解，同时得到结果的一个计算区域。在水泵等流体机械的数值计算中，一般有叶轮这种会转动的区域，还有导叶或者蜗壳这种不转动也

图3.2-3 前处理窗口

图3.2-4 导入网格

图3.2-5 加载网格文件

就是静止的区域。为了计算区域，我们就要划分不同的域。有了域的划分，我们就可以对流体机械的不同部分单独设定属性，如叶轮设置成旋转的，导叶、蜗壳就设置成静止的。

下面给进水口部分划分一个域（所谓进水口就是叶轮进口前进水管道内的一段水体）。进水口水体域的设置过程如下。

1）指定域的名称。单击任务栏中的“Domain”，如图3.2-6所示。在弹出的窗口中输入域名“in”，如图3.2-7所示，单击【OK】确定，得到图形如图3.2-8所示。

图3.2-6 域生成按钮

图3.2-7 域命名

图3.2-8 图形显示

2）基本设定。“Location and Type＞Location”选择FLUID；“Location and Type＞Domain Type”选择Fluid Domain；“Fluid＞Material”选择Water（因为此处泵内输送的液体为水）；“Domain Motion＞Option”选择Stationary；其他项保持默认设置。结果如图3.2-9所示。（注意：选择Location时对应部分网格会变绿，可以据此判断是否选对。其中名字FLUID是由于在ICEM CFD中划分网格时自动命名的Body的名字，可以在ICEM CFD中修改。）

图3.2-9 基本设定

有一点需要说明，我们以前在流体力学课程中学过拉格朗日法和欧拉法。在CFD计算中采用欧拉网格，在固体计算中一般采用拉格朗日方法。如果说把拉格朗日网格中的节点看作是真实世界的物质原子的话，那么欧拉网格的节点则好比是真实世界中的一个个传感器，它们总是处于相同的位置，真实地记录着各自位置上的物理量。正常情况下，欧拉网格系统是这样的：计算域和节点保持位置不变，发生变化的是物理量，网格节点就像一个个布置在计算域中的传感器，记录该位置上的物理量。这其实是由流体力学研究方法所决定的。宏观与微观的差异决定了固体计算采用拉格朗日网格，流体计算采用欧拉网格。

3）流体模型。下面是流体模型项的设置，因为水泵里的流动基本都是湍流运动。所以，湍流模型的选取至关重要，由于在工业领域久经考验，这里选取了应用广泛且反响不错的湍流模型“k-ε”，壁面函数选择“Scalable”，如图3.2-10所示。

其他均保持默认设置。

其他部件的域的设置也与上述步骤相同，就不一一详述了。旋转域的设置稍有不同，下面就举一个旋转域的例子（见图3.2-11）。

图3.2-10 流体模型设置

图3.2-11 旋转域的设置

设置叶轮水体为旋转域，转速为1450r/min，旋转轴为Z轴。依据右手法则，转速前面要添加负号。其他基本设置与前面静止域的设置相同。（右手法则即是：利用右手握Z轴，大拇指指向Z正方向，如果叶轮的旋转方向与大拇指方向一致，则转速设置为正的，反之则为负。）

按以上步骤，至此完成所有域（Domain）的设置，如图3.2-12所示。

3.边界条件设置

下面我们开始设置边界条件。我们以进水口入口边界条件的设置来演示边界条件的设置。

1）单击任务栏上的边界按钮“”，如图3.2-13所示，选择所在域为in。

2）指定名称。在弹出的对话框中输入边界条件名称：inlet，如图3.2-14所示。

此处我们选择压力入口，设置“Relative Pressure”为1[atm]。其他为默认设置。

3）基本设定。所谓基本设置就是设置边界类型，对计算流体而言，只有5种基本的边界条件，如进口（inlet）、出口（outlet）、对称（Symmetry）、开口（Opening）、壁面（Wall）等，如图3.2-15所示，具体用法视所需情况而定。设置边界条件为Inlet，位置选择IN，如图3.2-16所示。

图3.2-12 完成域的设置

图3.2-13 边界条件生成按钮

图3.2-14 指定入口名称

图3.2-15 边界类型

图3.2-16 入口基本设定

4）边界详情。切换到Boundary Details标签，如图3.2-17所示。“Flow Regime”选择Subsonic（亚音速）；“Mass and Momentum＞Option”选择Total Pressure（stable）；设置相对压力值为1[atm]。

图3.2-17 入口边界详情设置

其实，边界条件的设置对收敛性和结果的准确性有非常大的影响。对于一个待求解的问题，边界条件既不能过度约束也不能欠约束。约束过度，会使得求解器没有足够的自由空间来达到正确的解，从而使得收敛困难。而欠约束，也即约束不足，这会导致没有给求解器足够的信息来开始计算，从而使得没有物理结果。为了读者在数值计算时可以拥有稳健的收敛性，我们推荐两种设置：

第一种是入口边界设置为速度（Normal Speed）或者质量流（Mass Flow Rate），出口边界设置为静压（Static Pressure）。此时，入口的总压是数值模拟计算得出。第二种是入口边界设置为总压（Total Pressure），出口边界设置为速度（NormalSpeed）或者质量流（MassFlowRate）。此时出口处的静压和入口处的速度是计算结果的一部分。

由于我们在水泵中划分了多个域，域与域之间要设置交界面。下面我们演示一下交界面的设置。在进行交界面设置时需要注意的是交界面位置要选择正确，交界面要成对出现。

图3.2-18 创建交界面

4.域交界面设置

设置进口水体与叶轮的交界面。

1）单击任务栏上的域交界面，如图3.2-18所示，在弹出的窗口中输入交界面名称“in_yl”（即进口段和叶轮的交界面），单击【OK】。

2）基本设置。基本设置中，“Interface Type”：设置为FluidFluid；“Interface Side1＞Domain（Filter）”：in（即旋转进口段）；“Interface Side1＞Region List”：CK_OF_IN（即进口段的出口面）；“Interface Side2＞Domain（Filter）”：yl（即叶轮）；“Interface Side1＞Region List”：JK_OF_YL（即叶轮的进口面）；“Interface Models”：General Connection；“Frame Change/Mixing Model”：Frozen Rotor。结果如图3.2-19所示。

图3.2-19 交界面基本设置

对于交界面模型（Interface Models）可分为三种。平移周期性（Translational Periodicity）：对于具有周期性的网格，可只画出其中一部分，然后利用平移周期性交界面连接。旋转周期性（Rotational Periodicity）：对于旋转机械，可以只画出一个周期性的网格，然后确定旋转轴和叶片数，通过交界面连接。普通连接（General Connection）：用于一般的两个域的连接。

对于“Frame Change/Mixing Model”栏，“Frozen Rotor”用于旋转域与静止域的连接；“None”用于静止域与静止域连接；“Stage”最主要用于轴流泵旋转域与静止域连接。

按上述方法，依次完成其他边界条件的设置。

5.求解控制设置

1）单击任务栏上的求解控制“Solver Control”，如图3.2-20所示。

2）基本设置。基本设置中，“Advection Scheme”：High Resolution；“Turbulence Numerics”：High Resolution（可以根据精度的要求自己设置）；“Convergence Control＞Min. Iterations”：1；“Convergence Control＞Max.Iterations”：1000（通常网格不是很复杂，若很多的话1000步能够收敛）；时间步长控制选择物理时间步长（可以选择自动步长）；物理时间步长为0.0066[s]（推荐物理步长为60/2π·n，n（r/min）为泵转速）；“Residual Type”：RMS；“Residual Target”设为0.0001（这个精度基本符合要求），其他默认，单击【OK】，如图3.2-21所示。

图3.2-20 生成求解控制

图3.2-21 求解控制设置

6.输出控制设置

一般在此处设置进出口压力以及扬程监测。在创建这些输出前，先在“Expressions”中编写一下需要的公式，以方便输出设置，如图3.2-22所示，单击任务栏上的表达式“Expressions”，在弹出窗口中输入名称，如“head”（编写扬程公式，名字可自取），单击【OK】；在“Expressures”树形栏中编写表达式，完成如图3.2-22所示。