Fluent风机计算教程

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。2．CFD前处理2.1Gambit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。2.2文件导入（1）打开Fluent前处理软件Gambit2.4.6，分别导入蜗壳和叶轮部分的step文件woke.stp和yelun.stp。File→Import→STEP...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）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SuccessiveRatio，激活Doubleside,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/Wedgecooper方式划分六面体网格；叶轮和蜗壳形状比较复杂，采用Tet/HybridTGrid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（File→Export→mesh→Apply）注意：绘制2d模型网格时需要激活“Export2-D（X-Y）Mesh”选项3.Fluent计算（1）启动方式一：双击打开AnsysFluent14，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“AnsysFluent14快捷方式”，选择“属性”选项，将目标C:\ProgramFiles\ANSYSInc\v140\fluent\ntbin\win64\fluent.exe-r14.0.0改成C:\ProgramFiles\ANSYSInc\v140\fluent\ntbin\win64\fluent.exe-r14.0.0-t23ddp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AnsysFluent14之后的界面（4）读入网格文件（.msh文件）File→Read→mesh(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。ProblemSetup→General→Scale→Select→mm→Scale。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。ProblemSetup→General→Check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。ProblemSetup→MeshInterfaces→Create/Edit，在meshinterface框中输入interface的名称（随便定义，必须以字母开头），InterfaceZone1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ProblemSetup→General→SolverType：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：ProblemSetup→Models→Energy-Off→勾选EnergyEquation→OK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：ProblemSetup→Models→Viscous-Laminar→激活K-epsilion(2eqn)→选择RNG→勾选SwirlDominatedFlow→选择StandardWallFunction（标准壁面函数）→OK（10）定义材料属性ProblemSetup→Materials→air→Density，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MovingReferenceFrame（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。ProblemSetup→CellZoneConditions→勾选FrameMotion，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TranslationalVelocity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（ProblemSetup→BoundaryConditions）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GaugeTotalPressure（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GaugeTotalPressure（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Movingwall，RelativetoAdjacentCellZone，Speed（rad/s）设为0，选中Rotational，Rotation-AxisOrigin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Movingwall，Absolute，Speed（rad/s）设为设为与动区域速度一致，选中Rotational，Rotation-AxisOrigin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：ProblemSetup→ReferenceValues→Computerfrom，选中inlet_1，即可。（13）设置SolutionMethodsSolution→SolutionMethods→Pressure-VelocityCoupling→CoupledSolution→SolutionMethods→SpatialDiscretization→Gradient→Green-GaussNodeBasedSolution→SolutionMethods→SpatialDiscretization→Pressure→PRESTO!Solution→SolutionMethods→SpatialDiscretization→Momentum→Third-OrderM