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

  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（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，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（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： 

(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。 

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HyperMesh中的HyperMorph功能，直接对隔舌附近表面网格进行变形处理，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对网格质量要求很低，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。

 
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，从而得到想要的外形。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。特性曲线为一定转速下，流量-扬程（Q-H）、流量-效率（）、流量-功率（Q-N）等曲线。根据扬程H的定义：

考虑到两种设计下z1、z2和u1、u2相同，因此采用压差 来表征扬程。而效率的定义为：

因此在效率计算时采用压差 来表征公式中的扬程 。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 

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。

 
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，底端叶片附近的回流区域增大，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软件对水泵进行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，但同时可以带来一定的涡流噪声的减弱。 

5 参考文献 
[1] AcuSolve Command Reference Manual V1.8. 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.