Fluent风机计算教程.doc

离心风机数值计算教 程西北工业大学 航海学院 编制1. 流场建模1.1蜗壳部分流场建模（1）草绘蜗壳轮廓（2）拉伸草图，绘制流域（3）扣除叶轮部分（4）增加风机出口1.2叶轮流场建模 （1）拉伸草图（2）扣除叶轮电机和进风口（3）扣除叶片和叶轮盘（4）静态线框图1.3保存（1）建立的三维模型需要保存成iges 、step或X-T等三维模型通用格式，便于导入CFD前处理软件。2CFD前处理 2.1 Gambit软件介绍（1）Gambit 快捷键快捷键功能鼠标左键旋转鼠标中键平移鼠标右键缩放Shift+鼠标左键选中Shift+鼠标中键框选、反向、替换换当先选中项Shift+鼠标右键确定（相当于点击Apply按钮）（2）各按钮功能简要介绍几何体操作按钮，激活后第二排分别为点、线、面、体和几何组按钮，分别激活可以进一步操作。网格划分操作按钮，激活后第二排分别为边界层网格、边网格、面网格、体网格和几何组网格按钮，分别激活可以进一步操作。边界条件设置操作按钮，激活后第二排分别为边界边界条件设置（进出口设置）和区域类型设置（定区域、静区域设置）按钮，分别激活可以进一步操作。常用工具操作按钮，激活后第二排分别为坐标系设置、函数法生成网格、轴流叶轮工具等，分别激活可以进一步操作。对于该模型，没有使用这一项。功能按钮区，常用的有：适应窗口大小、调整显示坐标方向、隐藏几何体、转换静态线框模型和和实体模型、撤销和重做以及网格质量统计等功能。 2.2 文件导入（1）打开Fluent前处理软件Gambit 2.4.6，分别导入蜗壳和叶轮部分的step文件woke.stp和yelun.stp。FileImportSTEP.（2）先导入叶轮部分，再导入蜗壳部分（3）全部导入后发现建模时，叶轮和蜗壳的坐标系不统一，二者位置关系不正确。此时需要将蜗壳部分相对于xoy平面翻转180度。（4）以实体图显示：（5）将叶轮部分两端凹进部分补齐，分别作为叶轮进口。此操作主要目的是产生A、B两环面，并将这两个换面定义为wall类型，可以模拟风机进口处的挡风环。选择第二项，根据面拉伸成体。（6）选择面（face），红色即为选中（7）选着拉伸引导线（edge）红色即为选中，注意引导线的箭头方向，如果不对“shift+鼠标中键”可以改变直线方向（8）最终效果（9）同样方法处理蜗壳另一端凹处。2.3网格划分鉴于该模型的复杂程度，采用非结构化网格。为了节省计算机资源，提高工作效率，尽量保重流动复杂的区域网格相对较密。为了保证网格疏密程度，首先给定每一条线的网格节点数目。注意不足1毫米的线段，比如叶片厚度、叶轮盘厚度方向可以不给网格节点，即默认为该线段上仅有一个网格节点。为了便于操作，可以隐藏暂时不需要的部分。点击右下角工具栏最下面一行第二个按钮，在弹出的新对话框选中要隐藏的体，把Visible属性改为off，即可隐藏不需要的体。（1） 叶轮盘网格节点间距分配方案： A叶轮盘周边网格间距2mmB叶片圆弧处网格间距设为1.5mmC叶片高度方向网格间距设为2mm，此处网格节点并非均匀变化，采用Successive Ratio，激活Double side ,Ratio1和Ratio2均设为1.02. D叶轮区域中间线段划分 E叶轮盘其他曲线划分F叶轮外侧轴向网格节点间距4mm（2）蜗壳网格节点划分A隐藏叶轮部分，划分蜗壳和进口两端的边网格节点B风机两端进风口处边网格设定100个节点，进口附近、蜗壳部分靠近叶轮一侧和蜗舌附近处边网格节点间距3mmC蜗壳部分靠近叶轮一侧轴向网格节点间距4mD蜗壳外侧周围边网格节点4mmE过渡位置网格间距3.5mm,间距比例1.02F蜗壳出口和外侧轴线方向网格节点间距5mm（3）划分体网格风机两端出口由于形状规则，分别为圆柱和圆环，可以采用Hex/Wedge cooper方式划分六面体网格；叶轮和蜗壳形状比较复杂，采用Tet/Hybrid TGrid 方式划分四面体非结构化网格。（4）检查网格质量和网格数目：网格质量检查结果：叶轮部分：进口部分：蜗壳部分整体情况：可以发现总网格数目为270万，最大网格扭曲度小于0.86（小于0.97为合格），扭曲程度严重的网格位于叶轮部分，如果计算出现不收敛或非物理现象很可能由该部分网格质量较差造成。2.4边界条件设置：（1）边界名称设置：蜗壳外侧定义为wall类型，取名为woke；叶片、叶轮盘等旋转部件表面定义为wall类型，取名为Moving_wall；电机表面定义为wall类型，取名dianji；风机进口挡风环（前面提到的A、B面）和叶轮部分端面定义为wall类型，取名in_wall；风机进口定义为Pressure_inlet类型，分别取名inlet1和inlet2；风机出口定义为Pressure_outlet类型，取名outlet。 （2）流场区域划分将流场分为两个区域，一个区域为叶轮部分，类型为FLUID，名称为Moving（作为动区域）；一个区域为蜗壳部分和进口部分，类型为FLUID，名称为Static（作为静区域）。注意：边界命名和区域命名对计算没有任何影响，一般取名尽量有规律，可以帮助记忆，在Fluent设置中能够一目了然。2.5 输出文件输出网格，保存mesh文件（FileExportmeshApply）注意：绘制2d模型网格时需要激活“Export 2-D（X-Y）Mesh”选项3.Fluent 计算（1）启动方式一：双击打开Ansys Fluent 14，选定3d计算模型、双精度求解器、并行运算（2线程）。（2）启动方式二：右键点击“Ansys Fluent 14快捷方式”，选择“属性”选项，将目标C:Program FilesANSYS Incv140fluentntbinwin64fluent.exe -r14.0.0改成C:Program FilesANSYS Incv140fluentntbinwin64fluent.exe -r14.0.0 -t2 3ddp注意：空格不能略去，-t2表示双线程，3ddp表示3d模型双精度求解器。（3）启动Ansys Fluent 14之后的界面（4）读入网格文件（.msh文件）FileReadmesh(或case)mesh选取保存的.msh文件注意：操作面板左侧和最上面一行都是操作菜单选项，功能基本一样，左侧按功能分类，依次为设置、求解、后处理。（5）初始化模型单位建模时以毫米为单位，Fluent默认单位是米，需要对模型单位进行初始化。Problem SetupGeneralScaleSelectmmScale。如果操作失误可以点击Unscale撤销操作。Scale前：Scale后：（6）检查网格检查网格质量，是所建模型能够进行数值计算的最基本的保障。如果网格检查失败，无法进行后续计算，必须找出原因，直至网格检查成功。Problem SetupGeneralCheck提示网格检查失败，主要原因是有未定义的interface，需要对interface面进行定义。Problem SetupMesh InterfacesCreate/Edit，在mesh interface框中输入interface的名称（随便定义，必须以字母开头），Interface Zone1 和InterfaceZone2 中分别选择对应的Interface面，最后点击Creat，此处共有三对interface，因此需要分别定义。重新检查网格，提示网格检查成功。（7）定义求解器Problem SetupGeneralSolverType：密度基求解器（Density-Based）主要用于高马赫数，密度变化较大的情况，此处选用压力基求解器（Pressure-Based）。Velocity-Formulation：速度方程选用默认选项，即绝对方程。Time：Steady为定长计算，Transient为非定长计算，流场计算使用定长，计算噪声则需要定常和非定长相结合。Gravity：激活该选项表示考虑重力影响，此处可以忽略重力影响即不激活该选项。（8）定义能量方程：Problem SetupModelsEnergy-Off勾选Energy EquationOK注意：该离心风机模型，空气密度变化很小(1%左右)，能量方程对计算结果影响可以忽而略不计，可以不选能量方程进而节省计算机资源。（9）定义湍流方程：Problem SetupModelsViscous-Laminar激活K-epsilion(2eqn)选择RNG勾选Swirl Dominated Flow选择Standard Wall Function（标准壁面函数）OK（10）定义材料属性Problem SetupMaterialsairDensity，选择ideal-gas，即理想气体模型，然后点击Change/Create。注意：该模型中压力不是很高，空气的压缩可以忽略不计，可以不考虑密度变化，即设定密度为常数。（10）定义MRF计算模型Moving Reference Frame（MRF），即以叶轮为参考系求解整个流场。MRF模型是Fluent用稳态算法计算旋转机械的主要工具。MRF中可以设置对应的叶轮转速，旋转中心等相关参数。此处需要将叶轮区域（moving）设置成MRF。Problem SetupCell Zone Conditions勾选Frame Motion，设置旋转中心、旋转轴、转速、旋转中心平动速度，本算例可设定坐标原点为旋转中心、Z轴为转轴、转速根据具体工况来定（换算成弧度每秒，需考虑正负）、旋转中心固定即Translational Velocity为0。Static区域不用进行设置，即采用默认设置。（11）定义边界条件（Problem SetupBoundary Conditions）进口：选中inlet_1，确定Type为Pressure_inlet，否则改为Pressure_inlet。点击Edit，在弹出的新对话框中Gauge Total Pressure（pascal）一项设置进口总压（表压强），其余保持默认值。此处不考虑进口损失，设进口总压为标准大气压，即表压0Pa。同样方法设置inlet_2。出口：选中outlet，确定Type为Pressure_outlet，否则改为Pressure_outlet。点击Edit，在弹出的新对话框中Gauge Total Pressure（pascal）一项设置出口背压（静压表压强），其余保持默认值。叶轮：选中Moving_wall，确定Type为wall，否则改为wall。点击Edit，在新弹出的对话框中选中Moving wall，Relative to Adjacent Cell Zone，Speed（rad/s）设为0，选中Rotational ，Rotation-Axis Origin 设为坐标原点，Rotation-Axis设为z轴，其余保持默认设置（另一种设置方法：选中Moving wall，Absolute，Speed（rad/s）设为设为与动区域速度一致，选中Rotational ，Rotation-Axis Origin 设为坐标原点，Rotation-Axis设为z轴，其余保持默认设置）。（12）设定参考值：Problem SetupReference ValuesComputer from，选中inlet_1，即可。（13）设置Solution MethodsSolutionSolution MethodsPressure-Velocity CouplingCoupledSolutionSolution MethodsSpatial DiscretizationGradientGreen-Gauss Node BasedSolutionSolution MethodsSpatial DiscretizationPressurePRESTO!SolutionSolution MethodsSpatial DiscretizationMomentumThird-Order MUSCLSolutionSolutionSolution MethodsSpatial DiscretizationTurbulent Kinetic EnergyThird-Order MUSCLSolutionSolution MethodsSpatial DiscretizationTurbulent Dissipation RateThird-Order MUSCLSolutionSolution MethodsSpatial DiscretizationEnergyThird-Order MUSCL（14）设置Solution ControlsSolutionSolution Controls原则上不去改变Solutions Controls的参数配置，如果计算过程出现结果不稳定或不收敛的情况可以将全部松弛因子（Under-Relaxation Factors）变为原来的0.40.8倍，酌情减小（柯朗特数）Flow Courant Number。（15）设置 Monitors残差监视窗口：SolutionMonitorsResidual，Statistic and Monitors选中Residuals-Print，plot点击Edit，在新弹出的对话框内部内勾选Plot，Window设为1，在Equations中将Continuity后面的Absolute Criteria设为1e-6。叶轮力矩监视窗口：SolutionMonitorsResidual，Statistic and MonitorsCreateMoment在新弹出的对话框内勾选Plot和Write选项，选中moving_wall，点击OK。出口流量监视窗口：SolutionMonitorsSurface MonitorsCreateReport Type（选Volume Flow Rate即体积流量）Surfaces（选outlet），勾选Plot和Write选项，点击OK，即可。（16）流场初始化SolutionSolution InitializationStandard InitializationCompute frominlet_1Initialize注意：一般情况下，计算刚开始的时候，残差等监视的数据和最终收敛值相差较大，导致检测范围过大，监测曲线不能反映收敛程度，建议先计算10步左右在设置监视窗口。（17）开始计算SolutionRun CalculationNumber of Iterations（设置计算步数）Calculate（18）收敛判据：计算过程中同时监测出口流量和叶轮转矩，如果流量和转矩曲线均收敛，并且进出口流量差在10-4kg/s量级以下，则认为该数值计算收敛。点击Cancel或快捷键 Ctrl+C都可停止运算。计算结束时的残差曲线计算结束时出口流量监测曲线计算结束时叶轮力矩曲线4.Fluent 后处理（1）做ISO-Surface做出风机的中间截面，即垂直于z轴并且z=0.09m。在Fluent几面最上面一行的菜单栏SurfaceISO-SurfaceSurface of ConstantMesh、Z-Coordinate、Iso-values(0.09)Create。即建立以风机中截面，名称为z-coordinate-21。同理，可以做出任意垂直于x轴或y轴的截面。（2）等值线以风机中截面为代表，绘制其压力、速度分布云图或等值线。ResultGraphics and AnimationsContoursSet up，在新对话框中勾选Filled(不选为等值线图)，Contours of 选Pressure（可选Velocity等以便绘制其他云图），Surfaces 选择新建的面z-coordinate-21，最后点击Disply。通过DisplayViewfrontApply，可以调整视图方向，配合鼠标中间，可以调整视图大小。最终压力云图效果如下：同样方法绘制速度云图：（3）速度矢量图ResultGraphics and AnimationsVectorsSet up，在新对话框中勾选Filled(不选为等值线图)，Vectors of 选Velocity，Color by 可可以根据不同需要进行选择用颜色表示按压力或速度大小），Surfaces 选择新建的面z-coordinate-21，Style可以根据自己喜好选择（一般默认为arrow(箭头)），可以通过Scale调整矢量箭头的长短，通过调整Skip调节矢量箭头的疏密，最后点击Disply。局部放大效果：注意：如果Surfaces一项没有选择面。则可以绘制整体刘御的速度矢量图，这种情况对显卡和计算机内存要求极高，建议Skip给定一个合适的值（210）。（4）流线Fluent后处理可以绘制流线图。ResultGraphics and AnimationsPathlinesSet up，在新弹出的对话框中，Path Skip设定10，Release from Surfaces 选进口面（inlet_1和inlet_2），Pulse Mode 选定Single，点击Display，可以绘制流线图，点击Pulse可以绘制动态流线图。（5）效果图Fluent可以通过添加灯光、场景、透明度，做一些透视或立体感较强的效果处理。DisplayOptions，在新弹出的对话框内，Lighting Attributes选项卡勾选Lights on，Lighting一项选择Gouraud，点击下方的Lights.，在新对话框中勾选Lights On ，Lighting Method选择Gouraud,，然后Apply，Close Lights对话框。Apply，Close Display Options对话框。完成灯光设置。以流线图为例，ResultGraphics and AnimationsPathlinesSet up，在新弹出的对话框中，勾选Draw Mesh，弹出Mesh Display对话框。在Mesh Display对话框对话框中勾选Faces ，Surface中选择moving_wall、woke、dianji和in_wall。Mesh Display对话框点击Display，能看到如下效果：在Pathlines对话框中点击Display可以看到如下效果：DisplayScene.，在新弹出的Scene对话框中选择moving_wall、woke、dianji和in_wall，点击Display，弹出Display Properties 对话框，更改Blue的值并点击Apply可以调整一个理想的效果。流线图透视处理效果如下：压力云图透视效果处理如下：（6）数据报告Fluent可以输出文字报告：输出出口面的质量流量：ResultReportsFluxesSet Up.Mass Flow RateBoundaries(outlet)Compute 。输出叶轮阻力矩：ResultReportsForcesSet Up.MomentMoment Center（0,0,0），Moment axis（0,0,1），Wall Zones（moving_wall）Print。输出体积流量：ResultReportsSurface IntegralsSet Up.Report Type（Volume Flow Rate）Surfaces（outlet）Compute。输出进出口平均总压：ResultReportsSurface IntegralsSet Up.Report Type（Area-Weighted Average）Field Variable (Pressure. Total Pressure)Surfaces（outlet）Compute。输出进出口平均速度：ResultReportsSurface IntegralsSet Up.Report Type（Area-Weighted Average）Field Variable (Velocity. Velocity Magnitude)Surfaces（outlet）Compute。注意：Fluent可以输出各种各样的数值报告，以满足设计者进行分析，甚至还可以通过（DefineCustom Field Functions.）自定义变量，作出报告。此处就不在一一列出。5.噪声计算教程（1）宽带声学模型在原来流场计算基础上直接打开声学模型，选择宽带声学模型（Broadband Noise Sources），Problem SetupModelAcousticsModel（Broadband Noise Sources）。通过ResultGraphics and AnimationsContoursSet up，在弹出的新对话框中勾选Filled，Contours下拉列表选择Acoustics.和Acoustic Power Level（dB），通过后处理，点击Display。流场辐射声功率云图：（2）Light-Hill声学模型为了增加计算速度，节省计算机资源，噪声计算可以不选能量方程，设空气密度为定值。A. 采用Moving_mesh 模型进行计算，不同于流场计算的MRF模型，Moving mesh模型基于动网格进行计算，在计算过程中叶轮真正的旋转起来了。初始定长计算设置可以按上述流场计算方法进行，需要将MRF计算模型换成Moving mesh模型。Problem SetupCell Zone Conditions勾选Mesh Motion，设置旋转中心、旋转轴、转速、旋转中心平动速度，本算例可设定坐标原点为旋转中心、Z轴为转轴、转速根据具体工况来定（换算成弧度每秒，需考虑正负）、旋转中心固定即Translational Velocity为0。B. 在定长计算的基础上，使用非定长计算，时间步长2.5e-4s，迭代至收敛（50步左右）。B.以非定长计算结果为初始值，开启大涡模拟，计算流场。Problem SetupModelsViscousLarge Eddy Simulation(LES)Subgrid-Scale Model (Smagorinsky-Lilly)LES Model Options(Dynamic Stress)OK注意：2d模型LES湍流模型是隐藏功能，需要在双精度求解器情况下输入命令（rpsetvar les-2d? #t），回车，方能打开此功能，该命令只能输入，不能复制粘贴，注意空格，必须使用西文字符。将Run Calculation 对话框中 Max Iterations/Times Steps调为40100，视计算机性能而定。Number of Time Steps 设为500（该项根据计算机性能和模型大小来定，计算越多时间越长，但是流场也越稳定）。C.待计算结束后，以计算结果为初值，开启Light-Hill声学模型，进行噪声计算。设置噪声源设置噪声接收点（可以设置多个）噪声模型设置完毕，开始进行非定长计算，综合考虑计算机性能和模型大小，计算步数要尽量多（推进1000步以上）。（3）计算完毕后进行声学分析SolutionRun CalculationAcoustic Signals.Active Source ZonesReceiversSource Data FilesComputer/Write通过作FFT换，得到噪声频谱ResultsPlotsFFTProcess Options(Process Receiver)Y Axis Function(Sound Pressure Level(dB)X Axis Function（Frequency（Hz）Receiver（receiver-1）Plot FFT。接收点声压级频谱：注意：噪声计算步长和捕捉噪声最高频率有一定的关系，式中为Acoustic Source 对话框中的Write Frequency。