ANSYS教学算例集FL-罗茨泵流动仿真分析课件

罗茨泵流动仿真分析摘要本算例将使用ANSYSFluent19.0软件，对罗茨泵内流场进行仿真模拟，文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。通过Fluent动网格技术实现容积式旋转机械的运动仿真计算。案例描述本算例仿真的罗茨泵由两个凸轮和一个腔室组成。罗茨转子以600RPM的速度绕着各自的轴心以互相相反的方向转动。流入进口的液体被两齿捕获，逐渐被挤压至出口段，最终从出口排出。操作步骤3.1.导入case设置与结果查看3.1.1.创建工作目录并启动Fluent在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如LobePump），将网格文件lobe-pump.msh.gz，待编译C文件lobe-rotation.c拷贝至该目录下。启动Fluent19.0，在FluentLauncher中，Dimension选择3D，Options中勾选DoublePrecision，DisplayOptions中勾选DisplayMeshAfterReading和WorkbenchColorScheme，ProcessingOptions选择Parallel，设置使用双核计算（用户可以根据现有的硬件资源和License授权酌情选择合适的并行数），更改WorkingDirectory路径至该网格文件目录下，点击OK启动Fluent19.0。操作步骤3.2.导入网格文件菜单中点击【File】>【Read】>【Mesh…】，选取网格文件lobe-pump.msh.gz，点击OK导入网格。此时，图形界面中可以查看导入的网格。操作步骤3.3.General一般设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【General】，进行网格相关的操作以及选择求解器。3.3.1.长度单位显示树中点击【Setup】>【General】>【Mesh】>【Scale…】，ViewLengthUnitIn选择m，以米为单位查看当前模型的尺寸范围是否正确。操作步骤3.3.2.合并进出口流体域菜单栏中【SettingUpDomain】>【Zones】>【Combine】>【Merge…】，在弹出的窗口中选择MultipleTypes下的fluid，在ZonesofType下选择fluid-inlet和fluid-outlet，点击Merge按钮。操作步骤树中选择【Setup】>【CellZoneConditions】>fluid-inlet，双击fluid-inlet，在弹出的窗口中改ZoneName为fluid-inlet-outlet。点击OK确认设置。操作步骤3.3.3.合并进出口交界面菜单栏中【SettingUpDomain】>【Zones】>【Combine】>【Merge…】，在弹出的窗口中选择MultipleTypes下的interface，在ZonesofType下选择intf-inlet和intf-outlet，点击Merge按钮。树中选择【Setup】>【BoundaryConditions】>intf-inlet，双击intf-inlet，在弹出的窗口中改ZoneName为intf-inlet-outlet。点击OK确认设置。操作步骤3.3.4.瞬态求解设置在【Setup】>【General】>【Solver】下选择Time为Transient，以瞬态模式求解。操作步骤3.4.Models模型设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【Models】，进行物理模型设置。操作步骤3.4.1.湍流模型设置树中【Setup】>【Models】>【Viscous】，鼠标左键双击Viscous，Model中选择k-epsilon，k-epsilonModel中选择Realizable，其余设置为默认，点击OK完成设置。操作步骤3.5.Materials材料设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【Materials】，进行材料物性设置。在Materials的TaskPage中选中Fluid下的air，点击Create/Edit…，在弹出的Create/EditMaterials窗口中，点击窗口中FluentDatabase…选项，在弹出的对话框中FluentFluidMaterials下选中water-liquid，点击Copy将水的属性参数复制到材料库中。点击Close退出材料属性库选项框。操作步骤3.6.CellZoneConditions设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【CellZoneConditions】，进行体网格区域条件的设置。操作步骤3.6.1.操作工况设置在CellZoneConditions的TaskPage中点击OperatingConditions…，确认设置OperatingPressure(pascal)为101325。在ReferencePressureLocation下设置XYZ值为0,0,0。点击OK退出OperatingConditions设置对话框。操作步骤3.6.2.流域设置在CellZoneConditions的TaskPage中选中fluid-core，点击【Edit…】，在弹出的Fluid窗口中，MaterialName修改为water-liquid，其余设置均为默认值。点击OK关闭对话框。回到CellZoneConditions的TaskPage中，选择Copy…，在弹出的对话窗口中FromCellZone下选择fluid-core，在ToCellZones下选择fluid-inlet-outlet，点击Copy。操作步骤3.1.BoundaryConditions设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【BoundaryConditions】，进行边界条件的设置。操作步骤3.1.1.进口边界条件设置在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠标左键单击选中pressure_inlet，选择Type下拉菜单为pressure-inlet，弹出PressureInlet窗口，设置ReferenceFrame为Absolute，设置GaugeTotalPressure(pascal)为0。在Turbulence选项下的SpecificationMethod为IntensityandHydraulicDiameter，TurbulenceIntensity设置为5%，HydraulicDiameter设置为0.05m。操作步骤3.1.2.出口边界条件设置在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠标左键单击选中pressure_outlet，确认其Type是pressure-outlet，如果不是，从Type的下拉菜单中切换选择。点击【Edit…】，弹出PressureOutlet窗口。在Momentum选项卡中设置GaugePressure(pascal)为20000，BackflowDirectionSpecificationMethod为NormaltoBoundary。在Turbulence选项下的SpecificationMethod为IntensityandHydraulicDiameter，TurbulenceIntensity设置为5%，HydraulicDiameter设置为0.05m。操作步骤3.1.3.交界面设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【MeshInterfaces】，进入MeshInterfaces窗口，点击ManualCreate…进入交界面手动设置界面。在Create/EditMeshInterfaces下的MeshInterface中填入intf，选择InterfaceZonesSide1下的intf-housing，选择InterfaceZonesSide2下的intf-inlet-outlet，点击Create/Edit…创建交界面（进出口域与转子腔室交界面）。操作步骤3.2.动网格设置3.2.1.UDF编译菜单栏中选择【User-Defined】>【User-Defined】>【Functions】>【Complied…】，打开CompiledUDFs窗口。在SourceFiles中点击Add…按钮，选择lobe-rotation.c文件，点击OK确认。保持LibraryName为默认，点击Build按钮进行编译。若编译成功，在Console中会有成功编译的提示。当成功编译后点击面板中的Load按钮，将编译完的文件加载进Fluent中。同样，若成功加载，可以在Console中看到加载成功的信息。操作步骤3.2.2.动网格设置1.树中【Setup】>【DynamicMesh】，双击DynamicMesh。在TaskPage中勾选DynamicMesh。勾选MeshMethods下的Smoothing和Remeshing，点击Settings…按钮。在弹出的MeshMethodSettings中Smoothing标签栏下选择Method为Spring/Laplace/BoundaryLayer，在Parameters中设置LaplaceNodeRelaxation为0.75，其余为默认值。操作步骤切换至Remeshing标签栏下，在RemeshingMethods下勾选2.5D，在SizingFunction下勾选On选项，在Parameters下设置SizeRemeshingInterval为10。点击OK确定设置。操作步骤2.回到TaskPage中在DynamicMeshZones下点击Create/Edit…，进入DynamicMeshZones窗口进行设置。在ZoneNames下拉菜单中选择wall-top，Type下设置为Deforming，GeometryDefinition标签栏下选择Definition为plane，PointonPlane下设置参数为0,0,0.1(m)，PlaneNormal下设置为0,0,1；在MeshingOptions标签栏下确认Methods下的Smoothing和Remeshing被勾选，点击Create创建wall-top面的动网格设置。操作步骤3.在ZoneNames下拉菜单中选择wall-bottom，Type下设置为Deforming，GeometryDefinition标签栏下选择Definition为plane，PointonPlane下设置参数为0,0,0(m)，PlaneNormal下设置为0,0,1；在MeshingOptions标签栏下确认Methods的Smoothing被勾选，Remeshing去选，点击Create创建wall-bottom面的动网格设置。操作步骤4.在ZoneNames下拉菜单中选择lobe-ccw，Type下设置为RigidBody，MotionAttributes标签栏下选择MotionUDF/Profile为rotation_ccw::libudf，CenterofGravityLocation下设置参数为0.061,0,0(m)，其余设置为默认，点击Create创建lobe-ccw边界的动网格设置。操作步骤5.在ZoneNames下拉菜单中选择lobe-cw，Type下设置为RigidBody，MotionAttributes标签栏下选择MotionUDF/Profile为rotation_cw::libudf，CenterofGravityLocation下设置参数为-0.061,0,0(m)，其余设置为默认，点击Create创建lobe-cw边界的动网格设置。操作步骤6.预览网格运动，在TaskPage中点击PreviewMeshMotion…，在弹出的MeshMotion窗口设置TimeStepSize(s)为1.39e-4，点击Apply。无需关闭MeshMotion窗口。保存case为lobe-pump-ini.cas.gz。在MeshMotion窗口设置NumberofTimeSteps为100，点击Preview，可以预览到网格的运动。7.关闭Fluent，注意无需保存当前case，重新读入lobe-pump-ini.cas.gz继续进行设置。操作步骤3.3.SolutionMethods求解方法设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】>【Methods】，进行求解方法的设置。设置的Scheme为PISO，调整SkewnessCorrection为0。在SpatialDiscretization栏下，修改Gradient为LeastSquaresCellBased，设置Pressure为PRESTO!，保持Momentum为SecondOrderUpwind，TurbulentKineticEnergy和DissipationRate为FirstOrderUpwind。操作步骤3.4.SolutionControls松弛因子设置Under-RelaxationFactors下设置保持默认。操作步骤3.5.Monitors监视设置3.5.1.残差监视设置树中【Solution】>【Monitors】>【Residual】，鼠标左键双击，确保Plot选项被勾选。设置Equations下continuity的AbsoluteCriteria值为0.01，默认IterationstoStore为1000。操作步骤3.5.2.进口流量监测树中【Solution】>【Monitors】>【ReportPlots】，鼠标左键点击New…，进行自定义物理量的监视设置。在弹出的NewReportPlot窗口中，点击New…，选择SurfaceReport>MassFlowRate…，同时在Name中输入massflow-inlet，勾选Create下ReportPlot，选中WallZones下的pressure_inlet，点击OK。操作步骤3.6.Initialization初始化树中【Solution】>【Initialization】，鼠标左键双击Initialization，在TaskPage中确认InitializationMethods选择为StandardInitialization，点击Initialize按钮进行初始化。操作步骤3.7.CalculationActivities设置树中【Results】>【Graphics】>【Contours】，鼠标左键双击Contours，弹出Contours窗口，在Contours中Options下勾选Filled，选择Contoursof下Pressure…>StaticPressure，选中Surfaces下的Interface和wall组，点击Save/Display显示表面压力云图分布。树中【Solution】>【CalculationActivities】>【SolutionAnimations】，双击SolutionAnimations，设置AnimationObject为contour-1，其余为默认值。计算过程中将以每个时间步作为间隔保存压力分布图。点击OK确认设置。操作步骤3.8.RunCalculation运行计算树中【Solution】>【RunCalculation】，鼠标左键双击RunCalculation，在TimeStepSize(s)中设置为1.39e-4，NumberofTimeSteps输入360。点击Calculate开始运行计算。操作步骤3.9.Post-processing后处理在最左侧的树中，使用【Results】中的相关工具，对计算结果进行后处理。3.9.1.动画显示树中【Results】>【Animations】>【SolutionAnimationPlayback】，双击SolutionAnimationPlayback，打开Playback对话窗口。在AnimationSeq