毕业设计-基于AcuSolve和HyperMorph水泵三维流动数值模拟及性能.docx

基于AcuSolve和HyperMorph水泵三维流动数值模拟及性能影响研究摘耍：采用Altair公司CFD软件AcuSolve对离心水泵进彳亍了定 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彳亍网格变形 设计，探讨了蜗壳隔舌半径对水泵性能的影响关键词：水泵 流动数值模拟AcuSolve网格变形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 测汽蚀等垂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，网格生成的吋间甚至占到整个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B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，得到口己想要 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儿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2586059c图2所示为用 HyperMesh生成的表面网格图1儿何模型图2叶片表面网格2. 2物理模型及边界条件本文采用AcuSolve,基于NS控制方程及Spalart-Allmaras湍 流模型模拟水泵内的三维湍流采用参考坐标系法(Reference Frame) 模拟叶轮的旋转流动，叶轮取运动坐标系，泵壳及进出水管道采用固 定坐标系计算边界条件如下：仃).进口为体积流量进口边界条件2) .出口为压力出口边界条件，静压值设为0.(3) .其它为固壁无滑移条件，湍流壁而采用标准壁而函数法4) .叶轮旋转速度为3000r/mino3计算结果及水泵性能影响分析3. 1计算结果分析本文首先在20L/min的进口流量下对水泵进行了计算，获得了该 工况下水泵内的流动细节。

从图3叶轮流动出口附近区域速度矢量图可以看到蜗壳隔舌附近的流场比较复杂，出现了明显了漩涡流，泵壳 与叶轮之间的相互干涉对泵内的流动有重大影响图3某叶高截而隔舌附近速度矢量图另外，泵内的流动噪声主要分为叶轮旋转引起的旋转噪声以及泵 内的涡流噪声，从图4的涡强分布可以看出，隔舌与叶轮之间的相互 干涉不但使得隔舌附近区域的涡流强度较大，同时也大大增强了叶尖 的涡流强度，是水泵噪声的主要来源之一因此由上面分析可以看出， 隔舌附近流场复杂，考察隔舌的设计对水泵的性能有着重要的影响图4涡强分布3. 2修形设计为了考察不同隔舌外形对水泵性能的影响，需要对隔舌进行修 形传统的方法一般需要配合CAD软件进行再次造型，然后重新生成 网格，进而计算，这样的流程不但繁琐，而且影响了 CFD设计的效率 本文采用了旳perMesh中的HyperMorph功能，直接对隔舌附近表而 网格进行变形处理，不但提高了设计效率，同时不同方案之间的网格 差异也比较小，减轻了重新划分网格带来的网格差异对计算结果的影 响另外由于本文采用的CFD求解器AcuSolve对网格质量耍求很低, 因此即使在变形过程中出现网格扭曲，AcuSolve在计算中也能保持 很高的稳健性。

998机械网图5隔舌附近创建Morph volume和handles如图5所示，HyperMorph通过创建Morph Volume的方式定义隔舌附近区域为可变形的区域，再通过移动handles来灵活控制隔舌表 面网格的变形，从而得到想耍的外形修形后的隔舌外形较原外形过 渡半径变大，即叶轮的间隙也变大如图6所示修形前修形后图6修形前后隔舌附近表面网格3. 3水泵性能影响结果分析通常水泵的主要性能参数有流量、压头、效率和轴功率等它们 之间的关系常用特性曲线来表示特性卅线为一定转速下，流量-扬 程(Q-H)、流量-效率()、淤潼-功率(Q-N)等曲线根据扬程H的定义:考虑到两种设计下zl、z2和ul、u2相同，因此采用压差 来表征扬程而效率的定义为:r)= N：lN=HQPgr N因此在效率计算吋釆用压差來表征公式中的扬程另外转速一 定情况下，采用扭矩来衡量功率的对比最后根据效率公式，自定 义效率系数 来对比不同设计外形下的相对效率大小本文计算了 15L/min> 20L/min和25L/min三种进口流量下的两 种水泵外形的特性对比情况性能参数如表1所示：表1修形前后水泵性能参数对比15L/min20Umi n25L/min修形前9.46.262.36修形后9 175.811.47T(10-2)修形前2.753.313.8修形后2.7463.243.69q修形前51.2737 8215.53修形后50.0935.869.96修形前后特性曲线对比如图7所示，可以看出增大隔舌间隙后， 相同流量下修形后较原外形压差在一定程度上有所减小，而轴功率基 本相同，因此导致水泵效率有所下降。

© tt 30\.OngwwI.P■ ModZ.P▼ Modified N图7修形前后水泵性能曲线对比图8是25L/min进口流量下某叶高截面的速度云图对比，可以看 到修形后隔舌附近的回流区域略有扩大，特别是影响了下游区域的流 动特性，底端叶片附近的冋流区域增大，涡流损失变大，而右侧叶轮 附近也有一定的局部损失，整个水泵性能下降修形前修形后图8 25L/min进口流量下某叶高截面的速度云图图9表征了修形前后隔舌区域的涡强分布，修形后隔舌中心区域 涡强减小，叶片尖端大涡强区域也略有减小，因此隔舌与叶片间隙增 大后涡流噪声有所减小修改前修改后图9隔舌区域的涡强分布4结论本文采用Altair HyperWorks软件对水泵进彳亍了三维流动数值模 拟，分析了流场中的重点区域，并考察了隔舌外形对水泵性能的影响, 结论如下：(1) ・CFD求解器AcuSolve在完全四面体非结构网格上保持了良 好的收敛性和稳定性，在一定程度上放宽了对网格质量的要求2) . HyperMesh的网格变形技术HyperMorph能实现对网格的直 接变形，使得CFD的外形设计完全脱离CAD软件，大大加快了 CFD设 计的效率，缩短了设计周期。

3) .通过对水泵隔舌外形的影响分析得出，增大隔舌的过渡半 径，即增大隔舌与叶片的间隙会降低水泵的扬程和效率，但同吋可以 带来一•定的涡流噪声的减弱5参考文献.1] AcuSolve Command Reference Manual VI. & Altair, 2008[2]王福军，黎耀军等.水泵CFD应用中的若干问题与思考[J]・ 排灌机械,2005.。