瞬态CFD仿真分析在旋转机械计算中的应用

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旋转机械的CFD仿真分析过程中的一个重要内容是确定压差和流量，常规使用的稳态流量分析结果对泵体实际结构比较敏感。本文采用瞬态CFD分析方法，使用SolidWorks Flow Simulation仿真分析了某典型泵结构的流场，得到了压差-流量曲线，仿真分析结果与实验数据非常吻合。这种新方法对泵、风机等旋转机械有着较好的计算精度和计算效率。
一、引言
对于泵阀类产品的CFD分析，常规的仿真分析方法通常使用稳态内流场CFD分析，但是这种分析技术结果往往依赖于泵体的实际结构：对有些常规泵体可能计算结果比较准确，但对部分结构较为复杂、内部流动不稳定的泵体，分析结果很容易失真，仿真结果数据会严重偏离实验数据。
本文根据泵体的实验实测数据，使用SolidWorks Flow Simulation进行了大量仿真计算和数据分析，提出了使用瞬态内流场分析来进行泵体的流场分析的方法。该方法操作简单，针对压差-流量曲线的数据点，一次CFD仿真可以计算全部数据点。
二、泵模型组成
该泵是一个常规的泵体模型，包含入口管段和出口管段，中间部分为叶轮，其结构剖视图如图1所示。
三、实验数据
对该泵体进行流量与压差测试（具体测试方法见GB/T 18149-2000），得到如表所示实验数据，其中dP0为出口端总压与入口端总压之差，Q为流量。对应压差—流量的曲线如图2所示。
在传统CFD软件中采用稳态分析方法，与该实验数据进行对比，发现在有些数据点存在非常大的差异。因此，稳态CFD分析在有些情况下不适用于该模型。
四、瞬态CFD仿真分析相关设定
为了解决CFD稳态计算的问题，我们创新采用了瞬态CFD方法进行计算。其中步长、网格和高级求解控制是本问题的技术核心。
由于本问题的复杂性，采用传统CFD软件完全不能被研发工程师及非专业CFD工程师所掌握。为了便于大家快速掌握及应用于实际工作，我们以SolidWorks Flow Simulation软件为例，展示如何解决此类复杂问题。
1.Flow Simulation模型设定
使用Flow Simulation的向导功能，建立瞬态内流场分析，瞬态分析时间周期设定为30秒，并选择局部旋转区域，如图3所示。设定的流体是水，环境温度和压力均为常温常压。不考虑模型壁面粗糙度的影响。
2.旋转区域设定
使用局部旋转区域，设定旋转角速度1490RPM，如图4所示。
3.边界条件设定
（1）入口端边界条件。设置入口端边界为质量流量，在相关性选项，选择与时间相关的曲线输入。如图5所示。
（2）出口端边界条件。出口端边界条件设定为环境压力。
（3）真实壁面设定。为保证仿真的真实和准确性，针对旋转叶轮部分，设定如图6所示的真实壁面条件。
五、结果分析
1.结果云图及网格
静压结果云图如图7所示，叶轮静压结果云图如图8所示，速度结果云图如图9所示。
2.压差流量曲线
本模型分析中，采用多个模型进行对比和校核修正，最后提取压差流量仿真分析数据并与实验数据进行对比。仿真分析结果与实验结果吻合度很高，二者偏差不超过5%，如图10所示。其中original model是未做修正的原始模型分析结果，modified model是修正泵体结构底部空间的结果，如考虑电机轴等的空间，experiment是实验结果曲线。
六、结语
通过比较稳态分析和瞬态分析的结果，并与实验结果数据进行比较，发现稳态分析结果在局部数据点存在较大偏差，因此采用了瞬态CFD分析。在边界条件中考虑流量曲线的数据点设定，在Flow Simulation中一个模型即可计算出结果。对比仿真结果数据和实验数据，发现二者吻合非常好，偏差非常小。瞬态CFD分析应用在泵的压差—流量分析计算中，是一种很好的方法。
这种新方法对泵、风机等旋转机械有着较好的计算精度和计算效率。并且由于极易操作、连研发工程师都可以轻松进行这类复杂问题的分析。