STAR-CCM+在水泵流场数值模拟中的应用

STAR-CCM+在水泵流场数值模拟中的应用*周佩剑王福军（中国农业大学水利与土木工程工程学院北京100083)摘要：STAR-CCM+是采用连续介质力学算法开发的新一代CFD软件，已在航空航天、汽车、船舶等领域得到了广泛的应用，可是该软件在水泵领域应用还比较少。本文将STAR-CCM+引入到水泵流场数值模拟中，结合一双吸离心泵详细介绍了利用STAR-CCM+进行水泵数值模拟的全过程，并对其特有的多面体网格技术进行了考察。通过数值计算预测了不同流量工况下水泵的能量特性，并将数值模拟的结果与实验值进行了对比，两者吻合较好。研究表明该软件前处理简单，预测水泵的水力性能具有比较高的精度，可应用于工程实践。关键词：STAR-CCM+多面体网格水泵数值模拟中图分类号：TG156ApplicationofSTAR-CCM+tonumericalsimulationofflowfieldinpumpZHOUPeijianWANGFujun（CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,BeiJing100083)Abstract：STAR-CCM+isanewCFDsoftwaredevelopedbycomputationalcontinuummechanicsalgorithms，anditisusedwidelyinfieldssuchasaerospace,shipbuilding,automobile,etc.Butitisrarelyappliedinpump.InthisarticleSTAR-CCM+wasintroducedtonumericalsimulationofflowfieldinpump.Accordingtoadouble-suctioncentrifugalpump,eachstepofSTAR-CCM+wasdescribedindetailfromCADtopost-processing,andthepeculiarpolyhedralmeshwasinvestigatedTheenergycharacteristicsofthedouble-suctioncentrifugalpumpatdesignpointandoff-designpointswerepredictedandthepredictedresultswerecomparedwithexperiments,showinggoodagreement.ThecomparisonindicatesthatpredictingperformancecharacteristicsofcentrifugalpumpsbySTAR-CCM+isfeasibleandaccurateenough，anditcanbewidelyusedtoengineeringpractice.Keywords：STAR-CCM+polyhedralmeshpumpNumericalsimulation0．引言*泵是将原动机的机械能或其他能源的能量传递给它所输送的液体，使液体的能量（压能、位能和动能）增加的机械[1]，它广泛应用于航空航天、农业灌溉、城市供水等国民经济的各个领域。近几年随着计算机技术和计算流体力学（CFD）快速发展，数值模拟越来越多的应用在泵类流体机械内部流动的研究和优化设计[2]-[4]。应用CFD技术能够有效地减少模型制作与试验的次数，缩短产品设计周期，降低设计成本。由于泵内是复杂的三维流动，自编程序进行数值计算比较困难，适用范围也很有限，而商业CFD软件的出现为解决这一问题提供了新的途径。目前国内外可以用于水泵数值模拟的CFD软件很多，但是它们大多前处理复杂，参数设置繁琐，难以掌握。STAR-CCM+是采用连续介质力学算法开发的新一代CFD软件，在这些方面有了较大改∗北京市教育委员会科学研究与科研基地建设项目（20100909）和国家自然科学基金资助项目（51079151）善，已在航空航天、汽车、船舶等领域得到了广泛的应用，可是该软件在水泵领域应用还比较少。本文将其引入到水泵数值模拟中，并以一台双吸式离心泵为研究对象，介绍了使用STAR-CCM+从模型导入到后处理的全过程，并将数值模拟的结果与试验值相对比，考察了它在水泵数值模拟中应用特点。1．STAR-CCM+软件简介STAR-CCM+将几何建模、网格划分、计算求解和后处理集成到一体化的工作环境，实现了从CAD到后处理的整个CFD的工作流程[5]。STAR-CCM+中的3D-CAD模块，可以进行参数化的3D建模，生成几何模型。同时，它也提供了与其他三维绘图软件的无缝连接：UnigraphicsNX、CATIA、Pro/Engineer、SolidWorks等。STAR-CCM+主要有三种体网格模型：多面体网格、四面体网格和六面体/十二面体核心网格，还可以直接读入Plot3D的mesh文件、pro-STAR的mesh文件和FLUENT的case文件。与其他商用CFD软件[6]类似，STAR-CCM+有kε−、kω−、RSM、LES、DES等多种湍流模型。但是离散格式相对较少，主要有First-OrderUpwind和Second-OrderUpwind两种。除了上述两种格式，在LES模型中增加了Central-Differencing和BoundedCentral-Differencing格式，在DES模型增加了HybridSecond-OrderUpwind/Central和HybridSecond-OrderUpwind/Bounded-Central格式，可供用户进行选择。壁面处理的方式主要有以下三种：(1)Highy+WallTreatment其本质是壁面函数法，壁面网格单元中心布置在对数律成立的区域内，即要求y+30；(2)Lowy+WallTreatment当网格足够精细，y+大概是1或者更小的时候才适用；(3)Ally+WallTreatment是一种混合处理方式，在计算中会根据y+的值自动选用合适的壁面处理方式。STAR-CCM+提供了丰富的后处理方法，可以将用户关心的区域以云图、速度矢量图、流线图等方式显示出来，直观易懂。另外也提供了与专业后处理软件：Tecplot、ILightFieldview和EnSightGold的接口。2计算对象图1双吸离心泵结构简图本文所选取的计算对象为一台双吸离心泵，其结构简图如图1所示，主要结构参数为：叶轮直径2D=204mm，叶片数＝6，泵进口直径D进口=200mm，泵出口直径D出口=150mm，比转速sn=129，设计流量Q=280m3/h，设计扬程42H=m，额定转速2950n=r/min。3．计算模型3.1计算域计算域包括吸水室、叶轮、压水室三个子区域。其中叶轮内流场为转子区域,其它部分的内流场组成定子区域。用三维造型软件对双吸离心泵计算域进行造型，如图2所示。图2双吸离心泵实体造型示意图3.2网格划分本文使用STAR-CCM+中多种网格模块来对双吸离心泵进行多面体网格划分。考虑到壁面区域流动梯度比较大，选用PrismLayerMesher在近壁区产生两层棱柱状边界层网格。数值模拟中为了使得进出口所给的边界条件更符合真实情况，采用Extruder模块在进出口处生成一定长度的拉伸型网格。该双吸离心泵共分为三个子区域，为了使不同区域交界面处的网格节点能一一对应，保证它们之间质量和能量信息传递的准确性和完整性，本文对双吸离心泵整体进行网格划分，主要步骤如下：（1）首先将几何模型导入到STAR-CCM+中，这时需要分割边界，以便定义进出口、交界面等边界条件。STAR-CCM+提供了多种分割边界的方式，一般主要采用SplitInteractively的方式和Splitbypatch两种方式。（2）检查模型无误之后，就要进行表面重构（SurfaceRemesher），即生成体网格所需要的三角形面网格。需要注意的是，由于是对泵整体进行网格划分，所以要先定义好Interface，否则交界面处的网格质量会很差。因为三个子域都是直接连接，所以将两对交界面都设置为In-place。另外，为保证网格质量和高效率求解，对各个区域设置不同的尺寸，并在叶片周围、压水室的隔舌处，设置较小的网格尺寸，进行网格加密。昀后生成的面网格如图3所示。图3双吸离心泵面网格（3）检查面网格的质量和几何错误，并使用所提供的网格修复工具对质量较差的网格进行手动或自动修复，如图4所示。由于面网格的质量直接影响到体网格的质量，所以一般要将面网格质量修复到0.3以上。质量较差的面网格修复好的面网格图4面网格修复（4）接下来就要生成体网格。依次选择多面体网格模型-PolyhedralMesher、边界层网格模型-PrismLayerMesher和拉伸层网格模型-Extruder。然后就可以在STAR-CCM+中自动生成体网格，全过程基本上无需人工干预。从图5中可以看到，进出口处各自延长了一段距离，生成了形状比较规则的拉伸层网格，在壁面处生成了边界层网格。昀后生成的多面体网格总数为312,873。图5双吸离心泵体网格选择四面体网格模型-Tetrahedralmesher，按照上述方法即可对双吸离心泵生成四面体网格。昀后生成的四面体网格总数为1,154,106。各计算区域的网格数见表1。可以看到，在相同的网格尺度下，多面体网格数量大概是四面体网格数的1/4。由此可以想到，采用多面体网格可能将降低计算资源的消耗，节省计算时间。表1各计算区域网格数计算区域多面体网格数四面体网格数吸水室133,894545,040叶轮71,914213,559压水室107,065395,507整体312,8731,154,1063.3计算参数设置在选择物理模型的时候，勾选Auto-selectrecommendedmodels，即打开模型设定向导的功能，可以引导用户自动选择STAR-CCM+所推荐的模型，昀大程度地降低参数设置的繁琐。在PhysicsModelSelection对话窗口，按照表2依次选择如下模型。由于打开了模型设定向导，所以选择湍流模型RealizableTwo-LayerK-EpsilonModel的时候，软件自动选择与之相适应的壁面处理方式Ally+WallTreatment。表2计算参数的设置主要条件STAR-CCM+中的设置SpaceThreeDimensionalMaterialLiquidFlowSegregatedflowEquationofstateConstantDensityTimeSteadyViscousregimeTurbulentTurbulenceK-Epsilonturbulence当网格质量比较差的时候，还可以添加CellQualityRemediation模型对网格质量进行补救。它可以根据预先设置的准则（比如偏斜度）识别出质量较差的网格及其周围的网格，然后改变单元之间先前计算的物理量梯度以获得更稳健的解。3.4边界条件和求解设置将双吸离心泵的吸水室进口所延伸处作为计算域的进口，设置为VelocityInlet（速度进口）。从压水室的出口处向后延伸处进口，计算前出口速度和压力未知，设置为Flow-SplitOutlet（自由出流），由于全部流场只有一个出口，其出流权重设为1。叶轮为转子区域，采用多重参考坐标系（MRF），设置好旋转坐标系的方向，转速为2950rpm。选择双吸离心泵的5个典型工况进行计算，分别为0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.1Qd和1.2Qd。设置求解器的昀大迭代步数为2000，收敛判据设置为41.010−×，并监视残差变化。图7和图8分别是设计工况下采用多面体网格和四面体网格计算所得到的残差曲线。从图中可以看到，采用多面体网格仅需要计算400步左右就可以降至41.010−×，计算到1300步左右的时候才达到相同的计算精度。这是因为