基于acusolve和hypermorph水泵三维流动数值模拟及性能影响研究

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1、Altair2012HyperWorks技术大会论文集基于AcuSolve和HyperMorph水泵三维流动数值模拟及性能影响研究张笑民澳汰尔工程软件(上海)有限公司上海200080摘要：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（ReferenceFrame）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。关键

2、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，

3、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

4、思路，传统的方法通常需要返回到CAD-7-Altair2012HyperWorks技术大会论文集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

5、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。图1几何模型图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（ReferenceFrame）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

6、坐标系。计算边界条件如下：(1).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，湍流壁面采用标准壁面函数法。(4).叶轮旋转速度为3000r/min。-7-Altair2012HyperWorks技术大会论文集3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某叶高截面隔舌附近速度矢量图另外，泵内的

7、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-7-Altair2012HyperWorks技术大会论文集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