五液力变矩器Fluent仿真计算分析.docx
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五液力变矩器Fluent仿真计算分析
液力变矩器Fluent仿真计算分析
Fluent是计算流体力学常用的软件，由于Fluent采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。
灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
下面是用Fluent的具体步骤。
1Gambit部分
1.1Gambit中画网格
要在Fluent中分析必须先在Gambit中画分网格，其步骤如下：
1）将Solidworks中画好的单流道图另存为STEP文件。
2）在Gambit中导入上步存好的STEP文件。
3）在面中定义好周期面并选好点。
4）在体中开始画网格，网格长度取为2，共画了43662个网格，画好的网格如下图：
图5.1单流道画网格图
1.2定义边界条件
画好网格后，还要将各面定义成与实际工作条件相符的情况。
定义各面的条件，如下表：
表5.1定义面
面
命名为
定义为
11
blade11-z
wall
12
f12-wai
wall
13-17
per13-17-out
periodic
面
命名为
定义为
14
f14-out
pressure-outlet
15
f15-nei
wall
16
blade16-b
wall
18-20
per18-20-in
periodic
19
f19-in
velocity-inlet
定义好后将上述图形导出为Mesh文件。
2Fluent部分
Fluent中边界条件定义要求：
1）进口：
取速度进口，不同工况下的进口速度根据泵轮出口速度给定。
因为泵轮转速（Wp=200rpm=209rad/s），在计算分析中认为不变。
而根据设计要求，涡轮要分析三种不同工况下的状态，即i=0、i=0.4、i=0.8三种工况。
其中i为泵轮的角速度与涡轮的加速度之比。
下面我们先说i=0的情况。
2）出口：
取压力出口，出口压力取500000Pa
3）叶片正、背面及内、外环过流表面均设定为无滑移壁面
4）采用旋转坐标系，设定旋转角速度为0rad/s。
5）选择定义流动介质、计算模型等计算中需要的参数，然后进行迭代求解。
设i=n涡/n泵，在Fluent中主要分析i=0、i=0.4、i=0.8三种情况下的性能。
2.1i=0的情况
A．Fluent中设置条件
先要在Fluent中设置好条件，才能计算分析，步骤如下：
①在Fluent中打开保好的Mesh文件。
②在Grid—Scale—ScaleFactors中将单位改为毫米，即XYZ改为0.001.
图5.2设置比例
③在define—models—viscous的model设为K-epsilon.
在define—materials中将chemiclfoumula设为fuel-oil-liquid,并将density设为900，viscosity设为0.0185.
图5.3设置材料
在define—boundaryconditions中将blade11-z、f12-wai、f15-nei、bladel16-b设为rotational,rotation-axisdirection中X设为1，YZ为0;f14-out中gaugepressure设为500000;fff-v设为fluid,然后设定其他参数，四个周期面设为rotational;f19-in按下图设定
图5.4边界条件定义
图5.5fff-v设定
④上面参数设置好后，在solve—initialize—initialize中computefrom设为all—zones，然后点击initialize就可以，就意味着系统已经初始化。
开始计算，便可以查看速度压力等分布图。
B．查看速度、压力等分布图
图5.6速度图
从图中可看出，流速基本满足要求，进口速度方向向里，数值比较大，出口流速方向向外，数值较小，符合一般流道要求。
图5.7压力分布图
从图中可看出，压力成阶梯状分布，叶片正面压力较大，背面压力较小，符合实际情况，还可看出进口有一低压区，说明进口有一定涡旋，需进一步改进。
C．统计参数并绘制Qv-H、Qv-M曲线
①改变轴向速度，即图5.4标1处，统计出流量Qv、进出口速度V1、V2、力矩M、进出口静压差P，统计表如下：
表5.2i=0参数统计表
Vm（m\s）
6
8
9
10
11
qv（kg/s）
3.96
5.27
5.93
6.59
7.25
M（N/m）
22.2
30.99
35.62
40.38
45.26
Vi（m\s）
28
28.42
28.67
28.95
29.25
Vo（m\s）
9.6
12.8
14.36
15.92
17.52
Po-i（kpa）
-132.263
-141.966
-143.071
-137.934
-128.264
②然后根据公式：
H=Pin-Pout/ρg+V12-V22/ρg（5.1）
M总=M*28（5.2）
可计算出各速度对应下的H、M总，然后画出Qv-H、Qv-M总曲线，如下所示：
表5.3H、M总计算表
Qv（m\s）
110.88
147.56
166.04
184.52
203
H（m）
20.30
16.75
15.20
14.19
13.45
M总（kpa）
621.60
867.72
997.36
1130.64
1267.28
图5.8Qv-H图图5.9Qv-M图
2.2i=0.4的情况
A．Fluent中设置条件并查看
同样的步骤，先设好条件，再计算，然后查看速度、压力等条件的分布图如下：
图5.10速度图
图5.11压力分布图
从图中可看出，再i=o.4的工况下，流速基本符合要求，同样进口存在涡旋，需改进叶片形状。
B.统计参数并绘制Qv-H、Qv-M曲线
①同样改变轴向速度，记录各速度下的性能参数如下：
表5.4参数统计表
Vm（m\s）
6
8
9
10
11
qv（kg/s）
3.96
5.27
5.93
6.59
7.25
M（N/m）
19.65
27.47
31.57
35.81
40.16
Vi（m\s）
29.19
29.6
29.85
30.13
30.43
Vo（m\s）
6.73
8.84
10.09
11.44
12.83
Po-i（kpa）
26.695
49.262
67.396
90.156
117.256
②Qv-H、Qv-M总性能曲线如下：
图5.12Qv-H图图5.13Qv-M图
C．效率曲线
因为个速度点下的效率：
η=M总ω/ρgHQv总（5.1）
按此可计算出个速度下的效率，然后将各效率点用光滑曲线连起，得到效率取线。
计算表如下：
表5.5效率计算表
M总
550.2
769.16
883.96
1002.68
1124.48
M总W=M总*83.6
45996.72
64301.78
73899.06
83824.05
94006.53
Qv
110.88
147.56
166.04
184.52
203
H
44.18803
46.30028
47.90731
49.86173
52.14005
Pe
48064.77
67022.6
78033.94
90256.78
103833.3
η
0.9570
0.9594
0.9470
0.9287
0.9054
图5.14效率曲线
从效率曲线上可以看出在i=0时，流量在100~180kg/s处效率较高，最高效率在Qv=150kg/s为96%。
2.3i=0.8的情况
A．Fluent中设置条件并查看
同样的步骤，先设好条件，在计算。
B.统计参数并绘制Qv-H、Qv-M曲线
①改变轴向速度，记录各速度下的性能参数如下：
表5.6参数统计表
Vm（m\s）
8
9
10
11
12
qv（kg/s）
5.27
5.93
6.59
7.25
7.91
M（N/m）
22.94
26.53
30.26
34.1
38.14
Vi（m\s）
30.79
31.04
31.31
31.61
31.94
Vo（m\s）
10.48
10.71
11.23
11.91
12.71
Po-i（kpa）
395.334
436.047
481.059
531.499
586.4
②Qv-H、Qv-M总性能曲线如下：
图5.15Qv-H图图5.16Qv-M图
C．效率曲线
同样与上面相同计算出效率，并画出效率曲线。
表5.7计算表
M总（N/M）
642.32
742.84
847.28
954.8
1067.92
456.4
1306.76
368.48
M总W=M总*167.2
107395.9
124202.8
141665.2
159642.6
178556.2
76310.08
218490.3
61609.86
Qv（kg/s）
147.56
166.04
184.52
203
221.48
110.88
258.44
92.4
H（m）
87.58743
92.74341
98.12363
104.0027
110.2924
78.2934
124.3728
74.3
Pe（W）
126788.4
151065.3
177617.6
207114.1
239634.3
85162.3
315321.9
67348.79
η
0.8470
0.8222
0.7976
0.7708
0.7451
0.8961
0.6929
0.9148
图5.17效率曲线
从效率曲线上可以看出，在工作范围内，效率在70%~90%之间，由于液力变矩器基本上再次范围内工作，所以只画出了此范围内的效率曲线，但不能达到最高效率，因此叶片也有待改进。
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