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2012年PLM征文:基于AcuSolve和HyperMorph水泵三维流动数值模拟及性能影响研究

2012/11/1    来源:e-works    作者:张笑民      
关键字:流动数值模拟  AcuSolve  网格变形  HyperMorph  
本文采用Altair公司CFD软件AcuSolve对离心水泵进行了定常三维流动模拟。数值模拟基于N-S方程,采用Spalart-Allmaras一方程湍流模型和参考坐标系法(Reference Frame)模拟叶轮旋转流场,并根据流场特征分析了水泵隔舌附近为重点考察区域。然后采用HyperMesh中的HyperMorph功能对水泵蜗壳隔舌外形进行网格变形设计,探讨了蜗壳隔舌半径对水泵性能的影响。

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1 概述

    随着计算机技术的发展,计算流体动力学(CFD)作为一种数值模拟方法,正逐渐走向成熟,在水泵、风机等流体机械领域中的应用越来越广泛。借助CFD技术,可以得到水泵内任意位置的细节,如速度、压力、能量损失,压力脉动和漩涡等等,并可以计算出全工况范围内的扬程、功率、效率等特性,从而减小试验成本,缩短开发周期。另外,还可以根据水泵内的流动分离,间隙流动等优化水泵的性能,预测汽蚀等重要现象。

    然而目前基于有限体积法的CFD计算很大程度上受到网格生成的限制,网格的拓扑、质量的好坏直接影响数值结果的精度,甚至影响计算的成败。对于复杂的CFD问题,网格生成更为耗时耗力,且容易出错,网格生成的时间甚至占到整个CFD计算周期的70%~80%,大大增加了产品的设计周期。而本文所采用的CFD求解器AcuSolve是基于先进的伽辽金/最小二乘法的有限元技术,区别于目前其它基于伽辽金有限元CFD软件不稳定的特点,AcuSolve引入了最小二乘算子,增加了足够的稳定性,同时又保证了求解的精确性和守恒性。其最直观的特点在于在完全非结构四面体网格上保持很高的精确性,对网格的拓扑,质量要求不高,同时也能达到很快速的收敛性。这样大大降低了前处理划分网格的难度,缩短了CFD计算的周期。另外对于CFD的优化设计,往往根据流场信息提出外形的改善设计思路,传统的方法通常需要返回到CAD软件中进行再次几何建模,然后重新划分网格,进而再次进行CFD计算,这种CFD—CAD—CFD反复的设计过程大大降低了CFD优化设计的效率,而本文所采用的HyperMesh中的HyperMorph技术,可以直接对网格进行灵活的变形,得到自己想要的外形,从而无需返回到CAD软件中进行再次造型,因此这种网格变形技术很大程度上增加了CFD优化设计的效率。

2 计算模型

    2.1 几何模型与网格划分

    为了减小网格数目,对该模型的一些非关键区域,如叶轮基座底部的几何外形进行了一定的简化,并去除非流体区域,如水泵外层壳体,并适当延长了出口管道以使得计算更容易收敛。计算的几何模型如图1所示。模型采用HyperMesh进行表面网格划分,然后将表面网格模型导入AcuSolve的专用前处理器AcuConsole中划分体网格和边界层网格。网格节点数480905,单元数2586059。图2所示为用HyperMesh生成的表面网格。

几何模型

    图1 几何模型 

叶片表面网格

    图2 叶片表面网格

 

责任编辑:程玥
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