离心泵叶轮内部流动算例,Centrifugal pump impeller

Posted by on 11/17/2011 in Highlight, 工业案例 | 10 comments

离心泵叶轮内部流动算例,Centrifugal pump impeller

离心泵叶轮内部流动的数值模拟是一个典型的旋转转机械内部流动及其预测问题。一般而言叶轮内部整体的流动已经进入了湍流的状态,但是复杂的几何特征和叶轮的高速旋转,使得叶轮内部湍流流动的机制发生了巨大的变化,产生了复杂的流动现象,并对流体机械的性能产生了重要的影响,使得与叶轮内部湍流相关的流动计算和预测成了一项复杂的课题。

过往的研究中,前人利用实验手段获取了一种交替失速的流动现象,该现象掺杂有各种流体力学理论中的复杂流动特征。该通过该算例展示了在小流量工况下,利用CFD手段对叶轮内流道有交替失速现象的预测,图中对比了使用 OpenFOAM软件中MRFSimpleFOAM求解器和CFX软件的计算结果。该研究对非设计工况流动预测有着重要的工程价值,相关的基础理论及拓展应用研究请参见团队成员于2011年哥德堡地区OpenFOAM User group Meeting 的大会报告

(a) 文献中的PIV实验结果.

(b)  CFX的数值计算结果

          (c)  OpenFOAM的计算结果

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10 Comments

  1. 前几天收到来自西安交通大学网友来信,对有关旋转机械中计算一些热点问题进行了交流和讨论。将部分内容摘抄至此,欢迎讨论。
    赵博士:
    您好!

    我是西安交通大学流体机械系的博士,正在做流体机械内流的数值模拟方面的工作。 流场计算程序是基于simple的可压缩算法,但是这个算法在算低速可压旋转流场时还可以,如果计算到高速可压时就有问题,比如计算rot37就没有收敛过。

    我的网格是用igg生成,用的是mpi+opemp并行编程方式,现在已经可以在上万核心上运行程序,后处理用paraview处理,现在算了一个算例是德国汉挪威大学四级轴流级的整机流场定常模拟,这个算例可以收敛,但是使用的是一阶格式(这样肯定不行),而且没加入间隙流动,现在用的这个算法在流动问题复杂时很容易发散。

    师兄,我想问下,这个simple可压算法在计算高转速流场可压缩时是不有瓶颈存在,我试的几个算例用fluent计算就很难收敛,但是采用numerca时,计算收敛就很快,这个是否能说明基于压力的算法不是很适合计算高旋转这种复杂流场? 师兄, 我不知道您那用openfoam计算有没遇到过此类问题。我现在就在这个算法上很纠结。

    张伟:
    不好意思,这两天在开会,所以没能及时回复你的来信。非常高兴你关注我们的网站。
    首先不知道你是怎么定义收敛的,因为有时候可以直接从残差上看,当然算法不同,残差定义也略有差异,但在一定程度上可以反映迭代的收敛精度的。不过有时候则需要结合在流场中放入探针观测,或者观测相关统计量。
    据我所知NUMECA是基于FDM的.fluent软件是有限体积法的。不过fluent有2种求解器,其中压力求解器中的分离求解器是SIMPLE方法的,你也可以对同样的case使用密度求解器进行计算,密度求解器适合算可压缩问题。并且似乎fluent 14.0似乎又对这个求解器进行了优化,加速了收敛。不过结果是在一些简单流动的计算上较为明显,而复杂流动因为影响因素众多,很难简单的排除其他的干扰因素,不过我似乎记得在14.0版本的介绍里应该有相关例子,并介绍了加速收敛的效果。如果你感兴趣,等我会后回办公室的时候帮你查查看。
    对于旋转机械,我所作的均是不可压缩的旋转机械,所以对可压缩的并不太了解。但就我所知OpenFOAM在可压缩问题的计算上的确受制于现在的算法,不过网上也有欧拉方程求解器的程序。不过这些并没有出现在官方版本里。不过旋转机械的定常计算中,我们常常会旋转非惯性坐标系统,使得方程中有复杂源项出现,这本身也会给迭代收敛增加难度。至少从我而言不可压缩流的旋转机械的计算也或多或少存在收敛性问题。

    赵博士:
    非常感谢您抽时间解答我的疑惑。呵呵
    师兄,我说的那个收敛是观察的进出口的质量流量,就是您说的那个相关统计量。这个在算简单低速流动时,最后收敛后就是进出口质量流量相同。然后转换到高转速过程中,如10000rpm时,就很容易发散,程序就直接断掉,计算不下去。也尝试过fluent的那个密度求解器,不是很给力,也很容易出问题;而且之前用过fluent的comple算法,密度求解器,在算一个简单问题时是残差不再变化了,也下降了一定的数量级,但是检查结果时发现进出口质量流量不一致,而改用simpleC算法后,在同样的迭代步内达到收敛并且没有上述问题。(这个操作过程中,只在solve下换了算法,其他都没动) 所以,现在对fluent中couple算法类的东西还是心有余悸。-----哈哈,也有可能是用盗版的缘故;师兄,你们那边出现过这个问题不? 具体的那个算例我忘了,是自己做的个简单工作,等找到了再好好讨论下,就想知道那个couple算法是否靠谱。
    师兄,我还想问您一下,您用openfoam算的旋转机械过程中,尝试过最高转速能到多少? 在实际求解过程中,我也发现转速高的时候,就会产生您说的那个转速给动量方程带来的复杂源项的影响。如果转速很大时,转速产生的源项在初始迭代过程中有可能会把动量方程中其他项的影响给抹掉,直接在迭代初始阶段把整个流场恶化(在旋转坐标系下求解的相对速度场)------我不知道我的这个分析合理不。 如果加入可压缩过程后,很可能是由于初始迭代速度场的恶化,致使温度场不合理,比如出现场中某点处的温度值过大或过小,而温度的这种波动又会传递到密度场,密度场的恶化直接会作用到压力修正方程,又返回来作用于已经恶化的速度场,使得速度场继续恶化,直至发散,导致计算无法继续进行。 这个过程就像一个连锁过程,一环套一环。 如果在不可压过程中,这个应该就不会发生吧,转速高了之后应该不会发生这种连锁反应-------之前我自己做过环形管旋转流场的计算,转速好像能提高很多,现在就不知道这个结论是否正确,或者如果能计算,计算的结果是否正确。师兄,您做过这方面的工作不?或者阅读过这方面的论文不。
    期待您的回信。

  2. 呵呵,问题比价多,主要是可压simple算法在应用到旋转机械上该如何处理,才能使得计算高效,快速,平稳,准确。

  3. 咦,么人回复 呵呵 自己逛逛 顶顶

    • Simple系列算法最初是为不可以压缩流动设计的。将Simple算法推广到可压缩流动时,当Ma比较小的时候,其具有较好的收敛性,并能给出较好的计算结果。如果Ma数不高,适当调小松弛因子试试。但是,如果是较高Ma数,在流场中出现激波现象后,Simple的收敛性就会很差。如果是求解高速转的流体可压缩流动,我觉得Simple不太合适的。个人建议使用Piso来进行求解,比起Simple来,Piso的主要特点是,一步预估,两步校正,具有比Simple算法高的稳定性。

      仅一点浅显的见解……

  4. 赵博士:
    你好!
    不好意思,接近圣诞和新年,手边工作积压较多,有些忙。不过昨天晚上我们讨论了一下相关的内容。会抽时间整理出来给你一个答复。

    /张伟

  5. 呵呵,谢谢两位师兄 。。 因为还要就这个方向继续做下去,所以很想得到你们的指点。 谢谢

  6. 老师好,请问有没有将LBM应用到喷管中的例子?

  7. 老师们好,可以把这个算例的代码给我发一下吗?谢谢!

    • 可以直接用MRFSimpleFoam

  8. 可直接用MRFSimpleFoam

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