使用ANSYS Workbench进行动网重构与叶轮机械仿真详细操作指南

使用ANSYS Workbench进行动网重构与叶轮机械仿真详细操作指南

本文摘要（由 AI 生成）：

本文介绍了利用ANSYS进行动态网络重构和叶轮机械仿真的步骤和注意事项。文章详细阐述了从模型设置、材料属性编辑、网格划分、约束和物理参数设置、分析参数设计、系统耦合器设置到求解顺序和数据节点保存各步骤的操作方法和要点。同时，文章还提醒读者注意耦合面数据有效性百分比以及计算残差图和测点位移图的检查。本文旨在为读者提供详细的仿真操作流程，帮助读者更好地理解和应用ANSYS进行叶轮机械仿真。

一、简介

对于旋转机械，传统设计从理论计算到手工木模图纸，再到模型泵的加工制造，最后到相关性能测试。当性能测试与预期效果差距较大时，需要修改水力模型。这种传统设计不仅设计周期长，而且成本高。在没有成熟的水力模型参考的情况下进行设计也是有风险的。

日益强大的CFD技术为旋转机械行业的发展提供了非常有力的工具。大量工程实践证明，CFX、阿里云等流产分析软件计算精度高，为旋转机械企业打造高效的水力模型库和CFD分析及实验数据库；传统旋转机械企业利用CFD技术开发新产品并优化现有产品的技术创新寻找合适的思路也是企业发展的动力。

这一时期出现了一些优秀的液压设计软件，如：ANSYS的Vista旋转机械设计系统、Nrec以及一些国产液压设计软件。但掌握了这些设计分析软件的使用方法并不意味着我们就能做出好的产品或优化产品。还要求从业人员具备一定的基础理论知识以及基本设计参数对产品性能的影响程度。

本文重点研究双吸泵的双向流固耦合方法，使用该版本。

图1：双吸泵流固耦合分析流程

主要模块：Icem,,,

2、全面解决双吸泵的双向流固耦合方式。步骤1：同时创建转子组件和叶轮水体建模

建模思路可以参考我刚刚在仿真秀官网上发布的《旋转机械水利工程案例10部精品讲座·旋转机械建模专题培训》

图2：叶轮水体和转子部件

（蓝色为叶轮水区，另一个为转子组件）

※建模时应注意尽可能将流体域和零件模型作为一个整体生成，以保证固液耦合面的点坐标一一对应。

步骤2：在Icem中划分水体组件的四面体网格

网格数650W，最小质量0.35，最小角度19°。 ※定义Part时，将固液耦合面做成Part后进行设置。

图3：水体区域网格划分

步骤 3：设置流体模型和动态网格

图4：几何尺寸检查

1. 导入流体域网格。 ※如果单独打开Icem软件进行网格划分，必须注意模型的几何尺寸，并按照上图的流程进行。如果按照流程图进行网格划分，则无需执行上述操作。至于网格检查，则无需再做，因为Icem中已经处理过了。

2. 将湍流模型设置为标准Ke 模型。

3. 选择流体模型为 Water-

4、第一流体域的材料特性和转速

吸入室流体域定义：只需将材质改为“水”即可，如图所示。蜗壳盆的定义与吸入室“”相同。

图 5：吸入室流体域的定义

叶轮流体域定义：将材质改为“水”，定义转速前将转速单位修改为“rpm”，输入转速为-2980r/min，*遵循“右手螺旋法则” ，见面前一定要注意旋转轴，有的同志犯了粗心的错误。

图 6：叶轮流体域的定义

5. 边界条件的定义

对于导入“入口”，选择如图所示的速度导入“-入口”，进入设置选项卡将入口流速设置为2.75m/s，其余默认。出口采取“自由流出”。

图 7：入口总和的定义

6. 叶轮壁如图所示： 对于叶轮壁我们需要将“wall”设置为“Wall”，在“”中选择“to Cell Zone”，定义运动类型为“”，旋转轴是(1,0,0)。其余保持默认。其余墙壁只需改为“墙”即可，无需设置。

图8：叶轮壁的定义

7.动态网格“Mesh”的设置

固液耦合表面动网格设置如图：具体操作视频可参考模拟节目《旋转机械水利工程案例讲座26-掌握水利机械流场分析与流固耦合分析》（非更新至此）。这里选择“”和“”方法

》》设置对话框：

：大小在0-1之间，默认值为1。对于较大的变形，取较小的值，有利于网格的变形。当变形较小时，取较大值。一般对于不太软的材料，先取较大的值，出现误差再调整。

：网格变形计算的收敛精度。网格变形的计算采用“迭代法”的思想，一般默认值为0.001。这通常不会修改：迭代次数。如果获得收敛精度，则停止计算，并通过times控制最大迭代步数。如果需要更快地计算以节省时间，可以设置较小的迭代步数，但可能会牺牲准确性。

：更新网格类型，选择“全部”

至于边界节点松弛因子：一般为默认值，无需修改。当为0时，表示边界网格节点的位置不会改变，当为1时，表示边界网格节点不会使用松弛。

如果网格是结构化网格，则需要命令来激活网格平滑方法。

图 9：结构网格命令激活网格平滑方法

图10：动态网络平滑网格设置

“”设置，检查本地单位和本地人脸。 “本地小区”、“”。激活尺寸功能“ ”。

其中：尺寸函数分辨率，：尺寸函数变量，Rate：尺寸函数变化率。关于这个我看了很多文档和各个老师的解释，觉得很麻烦。一般情况下，尺寸功能被激活。使用“”设置这些参数，让软件推荐。我做了一些比较，大多数情况下激活尺寸函数和不激活计算的结果差别不大。

当然，这是基于个人实际问题，只是个人不成熟的经验。

1. 比例：最小网格尺寸。当变形后网格尺寸小于此尺寸时，网格将被合并。

2.scale：最大网格尺寸。当网格变形并且其尺寸大于此尺寸时，网格将分裂。

3. cell：网格单元的最大畸变率。当网格变形大于该值时，网格将被重建。就我个人而言，我通常取（0.7-0.9）

4.face：最大人脸畸变率，类似于unit skew。就我个人而言，我通常取（0.65-0.85）

5. size：网格重建频率。 （一般默认，但这个值还是很重要，对计算影响较大）当网格重构频率设置为较大值时，随着迭代计算的进行，网格变形量不断累积，变形和重构网格的大小还受到网格尺寸和畸变率的影响。反之则越小。适当设置并在报告错误时更正。

如果以上设置不是特别清楚，建议查看设置对话框中的“Mesh Scale Info”选择合适的参数，或者使用软件推荐的值，点击“”即可。一般情况下，畸变率取经验值之间的值。

图 11：动态网络重建的设置

6、FSI流固耦合面的设置*（制作模型时，可以将叶轮的固液耦合面做成ICEM中的Part，以减少FSI设置量）。选择固液耦合面，变形类型为“系统耦合器”。其余的都是默认的。这里有一个“ ”，有一个单位高度。我和这个值做了一些简单的比较，发现这个值对结果影响不大。还是需要根据个人实际问题来设置。在这种情况下，我们不进行设置并使用默认值。

图 12：动态网络重建的设置

第四步：使用默认的“”算法，检测项无需设置。第五步：初始化，操作如图。

步骤6：计算节点保存的输出频率。这个根据你电脑硬盘的情况和需要来设置。

图 13：保存设置

第七步：解决设置

图 14：保存设置

这里的时间步长不需要设置，但是不能为0，因为这里的时间是由“ ”控制的。迭代步数根据实际情况设定。值越大，计算量越大。

步骤8：结构模块的设置

1. 编辑材质属性：使用默认材质。实际操作时，根据转子部件的材质要求进行设置。一般材料属性会改变材料的密度、杨氏模量和泊松比。根据您的需要进行调整。

2、直接点击Mesh，打开模块，在Model（B4）中设置相应的材料属性，如图。

图 15：材质设置

3、叶轮与轴的接触面会被软件自动识别为束缚接触，一般不需要修改。

4.网格划分，这里的操作比较简单。使用自动网格划分来正确致密 FSI 表面。

图 16：网格划分

5. 右键单击​​“(B5)”以插入约束和物理参数。设置圆柱约束“ ”。你可以根据自己的需要决定是否释放这里的自由度。端面约束“固定”。设置物理参数。主要设置转子组件“ ”的转速和重力场“地球”（水平转子组件重力方向不能与轴线平行）操作如图

图 17：约束和物理参数

6. 添加固液耦合面“Fluid Solid”。

图 18：设置固液-固界面

7、设计分析参数：点击“ ”设置时间步长和总计算时间。注意这里要先关闭自动时间步，然后再设置时间步和计算时间。

图 19：设置分析数据

第 9 步：系统耦合器设置

1、系统耦合器设置“ ”，点击“C2”，打开系统耦合器设置模块。

图 20：设置分析数据

将时间步“Step Size”设置为0.0005s，以与瞬态结构模块一致，并将“End Time”设置为0.05s。

将“ ”设置为 2，即最小迭代步数。 “ ”为5，为最大耦合迭代步数。 ※当两个参数都为1时，为显式计算，计算速度较高，但精度较低。

2、创建耦合接口的数据连接，按住“Ctrl”左键选择流体接口“”

和实体界面“Fluid Solid”然后右键单击并选择“Date”。当出现“Date”和“Date”时，表示耦合面创建成功。如果此处无法找到这些耦合表面，则需要更新数据。右键单击“”。

图21：创建接口数据传输

3. 点击“ ”，设置“Co-Sim”，设置开始计算的顺序。这里我们先选择计算，并将其设置为1。“ ”设置为2

图 22：设置解决方案顺序

4.设置保存数据节点

图 23：设置保存输出频率

5、点击系统耦合器左上角的“”进行计算

图 24：对耦合数据的有效响应

耦合面的数据有效性百分比应尽可能大。

图25：计算后残余误差图和测点位移图