第1章 绪论................................................................................................................... 1
1.1 水泵与泵站流动特点......................................................................................... 1
1.1.1 水泵流动特点.......................................................................................... 1
1.1.2 泵站流动特点.......................................................................................... 2
1.2 水泵与泵站流动分析方法概述........................................................................... 2
1.2.1 水泵流动分析方法................................................................................... 2
1.2.2 泵站流动分析方法................................................................................... 4
1.3 三维粘性流动分析方法概述............................................................................... 5
1.3.1 计算流体动力学理论与方法简介.............................................................. 5
1.3.2 常用CFD软件......................................................................................... 6
第2章 流动分析基本方法............................................................................................. 7
2.1 流动分析原理与数值解法.................................................................................. 7
2.1.1 流动控制方程.......................................................................................... 7
2.1.2 控制方程离散方法................................................................................... 9
2.1.3 控制方程求解方法.................................................................................. 11
2.1.4 流动分析基本流程................................................................................. 13
2.2 计算方案制订.................................................................................................. 15
2.2.1 计算目的确立........................................................................................ 15
2.2.2 模型抽象............................................................................................... 16
2.2.3 计算域选择............................................................................................ 16
2.2.4 参考压力和浮力选择.............................................................................. 18
2.2.5 边界条件选择........................................................................................ 19
2.2.6 初始条件选择........................................................................................ 22
2.3 瞬态计算的时间步长....................................................................................... 22
2.3.1 隐式时间积分方案下的时间步长............................................................ 22
2.3.2 显式时间积分方案下的时间步长............................................................ 23
2.3.3 关于时间步长的一般考虑....................................................................... 24
2.4 计算前处理..................................................................................................... 25
2.4.1 几何模型创建与计算网格划分................................................................ 25
2.4.2 物理问题设置........................................................................................ 26
2.4.3 求解设置............................................................................................... 28
2.5 计算求解......................................................................................................... 29
2.5.1 计算求解准备........................................................................................ 29
2.5.2 对计算求解的人为控制.......................................................................... 30
2.5.3 计算过程中的残差................................................................................. 30
2.5.4 计算收敛的判断..................................................................................... 32
2.5.5 解决收敛问题的方法.............................................................................. 34
2.5.6 提高计算精度的建议.............................................................................. 35
2.6 计算后处理..................................................................................................... 36
2.6.1 流场物理量的表示................................................................................. 36
2.6.2 力、力矩和功率的计算.......................................................................... 39
2.6.3 水泵扬程计算........................................................................................ 40
2.6.4 水泵效率计算........................................................................................ 41
2.6.5 水泵空化余量计算................................................................................. 42
2.6.6 水泵性能曲线预测................................................................................. 43
第3章 湍流模型及近壁区处理模式.............................................................................. 44
3.1 湍流模型概述.................................................................................................. 44
3.1.1 湍流特征............................................................................................... 44
3.1.2 湍流数值模拟方法及湍流模型概述......................................................... 44
3.2 RANS模型...................................................................................................... 46
3.2.1 雷诺平均化处理模式.............................................................................. 46
3.2.2 常用涡粘模型........................................................................................ 47
3.2.3 局部时均化模型（PANS）..................................................................... 49
3.3 LES模型及RANS-LES混合模型..................................................................... 49
3.3.1 大涡模拟模型（LES）........................................................................... 50
3.3.2 RANS-LES混合模型.............................................................................. 50
3.4 近壁区处理模式.............................................................................................. 52
3.4.1 近壁区流动特点..................................................................................... 52
3.4.2 近壁区处理模式概述.............................................................................. 54
3.4.3 壁面函数法............................................................................................ 55
3.4.4 近壁模型法............................................................................................ 56
3.4.5 壁面粗糙度的处理................................................................................. 57
第4章 几何建模.......................................................................................................... 60
4.1 几何建模概述.................................................................................................. 60
4.1.1 几何建模要求........................................................................................ 60
4.1.2 几何建模软件与方法.............................................................................. 60
4.2 导叶式离心泵几何建模.................................................................................... 61
4.2.1 叶轮三维造型........................................................................................ 61
4.2.2 导叶三维造型........................................................................................ 65
4.2.3 蜗壳三维造型........................................................................................ 66
4.2.4 肘形进水流道三维造型.......................................................................... 68
4.3 双吸离心泵几何建模....................................................................................... 70
4.3.1 螺旋形压水室三维造型.......................................................................... 70
4.3.2 半螺旋形吸水室三维造型....................................................................... 75
4.3.3 双吸离心泵整体模型的生成................................................................... 83
4.4 轴流泵几何建模.............................................................................................. 84
4.4.1 轴流泵几何建模方法.............................................................................. 84
4.4.2 叶轮三维造型........................................................................................ 85
4.4.3 导叶等部件的三维造型.......................................................................... 88
4.4.4 轴流泵整体模型的生成.......................................................................... 88
第5章 网格划分.......................................................................................................... 90
5.1 网格概述......................................................................................................... 90
5.1.1 网格分类............................................................................................... 90
5.1.2 边界层网格............................................................................................ 92
5.1.3 网格质量............................................................................................... 95
5.1.4 网格独立性验证..................................................................................... 96
5.2 网格划分方法.................................................................................................. 97
5.2.1 网格划分流程........................................................................................ 97
5.2.2 合并多个网格的方法.............................................................................. 99
5.2.3 水泵CFD网格类型与网格尺寸............................................................. 100
5.3 双吸离心泵非结构网格划分........................................................................... 102
5.3.1 非结构网格划分流程............................................................................ 103
5.3.2 三维实体模型导入与曲面修复.............................................................. 103
5.3.3 全局网格参数设定................................................................................ 105
5.3.4 Part创建.............................................................................................. 106
5.3.5 Part网格参数设置................................................................................ 109
5.3.6 网格生成及网格质量检查...................................................................... 111
5.3.7 边界层网格对y 的影响........................................................................ 114
5.4 轴流泵非结构网格划分.................................................................................. 115
5.4.1 叶轮网格划分....................................................................................... 116
5.4.2 其他部件网格划分................................................................................ 116
5.5 导叶式离心泵六面体网格划分........................................................................ 119
5.5.1 叶轮六面体网格划分............................................................................ 120
5.5.2 导叶六面体网格划分............................................................................ 126
5.5.3 蜗壳六面体网格划分............................................................................ 130
5.5.4 肘形进水流道六面体网格划分.............................................................. 132
5.6 泵站进水池六面体网格划分........................................................................... 133
5.6.1 计算域分块.......................................................................................... 134
5.6.2 网格最大尺寸控制................................................................................ 137
5.6.3 近壁区第一层网格高度控制.................................................................. 137
5.7 基于ANSYS TurboSystem的水泵设计与网格生成.......................................... 139
5.7.1 利用Vista CPD进行离心泵水力设计..................................................... 140
5.7.2 利用BladeGen进行叶片修改与造型..................................................... 144
5.7.3 利用TurboGrid进行叶轮网格划分........................................................ 145
5.7.4 利用CFX进行流场计算....................................................................... 146
5.8 网格自适应技术............................................................................................. 148
5.8.1 网格自适应技术概述............................................................................ 148
5.8.2 CFX网格自适应技术........................................................................... 149
5.8.3 Fluent网格自适应技术......................................................................... 150
5.9 网格相关问题探讨......................................................................................... 156
5.9.1 什么是好网格....................................................................................... 156
5.9.2 如何生成好网格................................................................................... 157
5.9.3 IECM CFD二次开发............................................................................ 158
第6章 叶轮旋转参考系模型...................................................................................... 161
6.1 叶轮旋转参考系模型概述............................................................................... 161
6.1.1 运动参考系中的速度表达式及控制方程................................................ 161
6.1.2 水泵旋转参考系模型............................................................................ 163
6.2 基于SRF的叶轮流动分析.............................................................................. 164
6.2.1 SRF设置.............................................................................................. 164
6.2.2 SRF计算实例....................................................................................... 165
6.3 基于MRF的水泵流动分析............................................................................. 171
6.3.1 MRF简介............................................................................................ 171
6.3.2 MRF计算实例..................................................................................... 173
6.4 基于MPM的水泵流动分析............................................................................ 176
6.4.1 MPM简介............................................................................................ 176
6.4.2 MPM计算实例..................................................................................... 179
6.5 基于SMM的水泵流动分析............................................................................ 184
6.5.1 动静干涉作用及SMM简介.................................................................. 184
6.5.2 滑移界面设置原则................................................................................ 186
6.5.3 SMM应用技术要点.............................................................................. 188
6.5.4 SMM计算实例..................................................................................... 189
第7章 瞬态流动与压力脉动分析............................................................................... 195
7.1 瞬态流动特性及分析方法............................................................................... 195
7.1.1 瞬态流动及其对流场和结构的影响....................................................... 195
7.1.2 瞬态流动计算方法概述......................................................................... 196
7.2 分离涡模拟方法（DES）............................................................................... 198
7.2.1 原始DES方法..................................................................................... 199
7.2.2 DDES方法........................................................................................... 202
7.2.3 IDDES方法......................................................................................... 204
7.2.4 DES方法存在的灰区问题及解决方案................................................... 206
7.2.5 DES方法的应用................................................................................... 208
7.3 转捩流动分析方法......................................................................................... 211
7.3.1 边界层转捩特性概述............................................................................ 211
7.3.2 边界层转捩计算方法............................................................................ 212
7.3.3 SST g-Req转捩模型............................................................................... 215
7.3.4 边界层转捩计算实例............................................................................ 221
7.4 水泵瞬态流动及压力脉动分析........................................................................ 224
7.4.1 水泵瞬态流动计算方法......................................................................... 225
7.4.2 离心泵瞬态流动计算模型设置.............................................................. 225
7.4.3 离心泵瞬态流动计算结果..................................................................... 230
7.4.4 离心泵压力脉动计算结果..................................................................... 232
第8章 旋转分离流动分析.......................................................................................... 237
8.1 SGS模型适用性分析..................................................................................... 237
8.1.1 LES方法.............................................................................................. 237
8.1.2 常用的SGS模型.................................................................................. 239
8.1.3 常用SGS模型在离心泵中的适用性分析............................................... 243
8.2 动态混合非线性SGS模型.............................................................................. 250
8.2.1 动态混合非线性SGS模型表达式......................................................... 250
8.2.2 动态混合非线性SGS模型在Fluent中的实现方式................................. 252
8.3 LES的近壁区处理模式.................................................................................. 253
8.3.1 常用的近壁区处理模式......................................................................... 253
8.3.2 常用近壁区处理模式在离心泵中的适用性分析...................................... 255
8.4 离心泵旋转失速分析...................................................................................... 261
8.4.1 失速特性简介....................................................................................... 261
8.4.2 失速计算模型及其验证......................................................................... 262
8.4.3 失速团特征参数................................................................................... 264
8.4.4 失速状态下流动结构............................................................................ 265
8.4.5 不同工况下失速特性............................................................................ 268
8.4.6 失速状态下压力脉动特性..................................................................... 270
第9章 多相流与空化分析.......................................................................................... 272
9.1 多相流数值计算方法简介............................................................................... 272
9.1.1 多相流概述.......................................................................................... 272
9.1.2 多相流数值计算方法分类..................................................................... 273
9.1.3 欧拉-拉格朗日方法.............................................................................. 275
9.1.4 欧拉-欧拉方法..................................................................................... 276
9.2 离散相模型及其应用...................................................................................... 277
9.2.1 控制方程.............................................................................................. 277
9.2.2 颗粒受力分析....................................................................................... 277
9.2.3 模型特性.............................................................................................. 280
9.2.4 离散相模型应用实例............................................................................ 283
9.3 混合模型及其应用......................................................................................... 286
9.3.1 控制方程.............................................................................................. 286
9.3.2 混合模型设置和使用............................................................................ 288
9.4 VOF模型及其应用........................................................................................ 290
9.4.1 控制方程.............................................................................................. 291
9.4.2 VOF模型设置和使用........................................................................... 292
9.4.3 VOF模型应用实例............................................................................... 298
9.5 欧拉模型及其应用......................................................................................... 302
9.5.1 控制方程.............................................................................................. 303
9.5.2 颗粒相内部封闭关系............................................................................ 304
9.5.3 流体相与颗粒相之间的封闭关系——曳力模型...................................... 306
9.5.4 流体相与颗粒相之间的封闭关系——附加相间作用力模型.................... 309
9.5.5 湍流模型.............................................................................................. 311
9.5.6 欧拉模型设置....................................................................................... 315
9.5.7 欧拉模型使用注意事项......................................................................... 318
9.5.8 水沙搅拌计算实例................................................................................ 320
9.6 泥沙磨蚀计算方法及其应用........................................................................... 327
9.6.1 通用磨蚀模型....................................................................................... 328
9.6.2 专用磨蚀模型....................................................................................... 329
9.6.3 磨蚀分析方法....................................................................................... 330
9.6.4 基于离散相模型的弯管泥沙磨蚀计算实例............................................. 330
9.6.5 基于欧拉模型的离心泵泥沙磨蚀计算实例............................................. 332
9.7 空化计算方法................................................................................................ 335
9.7.1 空化模型分类....................................................................................... 335
9.7.2 基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型................................................... 336
9.7.3 空化计算中的多相流模型与湍流模型.................................................... 342
9.7.4 使用空化模型的技术要点..................................................................... 343
9.8 水泵空化计算实例......................................................................................... 345
9.8.1 计算模型.............................................................................................. 345
9.8.2 计算过程与结果................................................................................... 345
9.9 基于UDS的固体污染物浓度分布模拟........................................................... 350
9.9.1 沉淀池多相流问题概述......................................................................... 350
9.9.2 UDS程序设计...................................................................................... 352
9.9.3 UDS程序运行及计算结果.................................................................... 355
第10章 进水池与出水池流动分析.............................................................................. 358
10.1 进水池与出水池流动研究概况...................................................................... 358
10.1.1 进水池............................................................................................... 358
10.1.2 出水池............................................................................................... 361
10.2 进水池与出水池计算模型............................................................................. 361
10.2.1 计算域............................................................................................... 361
10.2.2 计算网格............................................................................................ 363
10.2.3 自由水面的处理................................................................................. 365
10.2.4 边界条件............................................................................................ 365
10.2.5 湍流模型及近壁区处理模式................................................................ 367
10.3 进水池流态研究........................................................................................... 367
10.3.1 研究对象............................................................................................ 367
10.3.2 前池池底坡度对流态的影响................................................................ 368
10.3.3 前池扩散角对流态的影响................................................................... 369
10.3.4 隔墩对流态的影响.............................................................................. 370
10.4 进水池空气吸入涡研究................................................................................ 370
10.4.1 计算模型............................................................................................ 371
10.4.2 空气吸入涡演化过程.......................................................................... 372
10.4.3 空气吸入涡产生机理.......................................................................... 374
10.5 出水池流态研究........................................................................................... 375
10.5.1 计算模型............................................................................................ 375
10.5.2 出水池流态........................................................................................ 376
第11章 进水流道与出水流道流动分析....................................................................... 379
11.1 进水流道与出水流道流动分析概述............................................................... 379
11.1.1 进水流道与出水流道流动概述............................................................ 379
11.1.2 整体式与分离式流动分析方法............................................................ 380
11.2 分离式流动分析方法.................................................................................... 380
11.2.1 计算模型............................................................................................ 380
11.2.2 立式混流泵站流动分析实例................................................................ 383
11.2.3 斜式轴流泵站流动分析实例................................................................ 385
11.3 多面体网格模型的应用................................................................................. 387
11.3.1 多面体网格模型................................................................................. 387
11.3.2 多面体网格模型应用.......................................................................... 389
11.4 整体式流动分析方法.................................................................................... 390
11.4.1 计算模型............................................................................................ 390
11.4.2 立式轴流泵站流动分析实例................................................................ 393
11.4.3 整体式与分离式流动分析结果对比..................................................... 399
11.5 流动分析中的FAN模型............................................................................... 403
11.5.1 FAN模型简介.................................................................................... 403
11.5.2 FAN模型应用示例............................................................................. 404
11.5.3 3D FAN模型...................................................................................... 405
11.6 综合应用实例............................................................................................... 405
11.6.1 斜式轴流泵装置的整体式流动分析模型.............................................. 405
11.6.2 流动分析结果..................................................................................... 409
第12章 蝶阀与管道流动分析..................................................................................... 414
12.1 蝶阀与管道流动分析方法............................................................................. 414
12.1.1 流动分析方法概述.............................................................................. 414
12.1.2 蝶阀三维计算域的选取....................................................................... 415
12.1.3 蝶阀前后动态边界条件的建立............................................................ 416
12.1.4 蝶阀与管道间的边界数据更新............................................................ 417
12.2 基于动网格模型的蝶阀开启过程分析........................................................... 419
12.2.1 动网格模型简介................................................................................. 419
12.2.2 蝶阀动网格模型设置.......................................................................... 420
12.2.3 蝶阀流场计算结果.............................................................................. 423
12.3 蝶阀结构型式对水力特性的影响.................................................................. 425
12.3.1 蝶阀结构型式简介.............................................................................. 425
12.3.2 流量及阀板转矩特性.......................................................................... 426
12.3.3 压力脉动特性..................................................................................... 427
第13章 流固耦合与疲劳分析..................................................................................... 429
13.1 流固耦合分析的基本方法............................................................................. 429
13.1.1 流固耦合分析方法.............................................................................. 429
13.1.2 流固耦合分析过程与实例................................................................... 433
13.2 离心泵流固耦合分析.................................................................................... 437
13.2.1 耦合计算模型..................................................................................... 438
13.2.2 压力脉动计算结果.............................................................................. 439
13.2.3 结构应力和变形计算结果................................................................... 439
13.3 水泵疲劳可靠性分析.................................................................................... 443
13.3.1 疲劳可靠性分析的基本思想................................................................ 443
13.3.2 应力载荷谱的编制.............................................................................. 443
13.3.3 结构疲劳强度的确定.......................................................................... 446
13.3.4 结构疲劳寿命的预估.......................................................................... 449
13.3.5 水泵疲劳寿命预估实例....................................................................... 449
13.4 模态分析..................................................................................................... 455
13.4.1 模态分析的特征方程.......................................................................... 455
13.4.2 模态分析方法..................................................................................... 456
13.4.3 在ANSYS中开展模态分析的步骤...................................................... 457
13.4.4 水泵叶轮模态分析实例....................................................................... 460
13.5 转子临界转速分析....................................................................................... 464
13.5.1 坎贝尔图............................................................................................ 464
13.5.2 转子动力学方程及有限元模型............................................................ 465
13.5.3 临界转速计算..................................................................................... 466
13.5.4 轴承刚度计算..................................................................................... 467
参考文献...................................................................................................................... 469
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