叶片泵设计数值模拟基础与应用

    前言
第1章泵数值模拟基础知识
1.1泵数值方法简介
1.1.1网格生成
1.1.2网格划分工具
1.1.3数值计算方法概述
1.2有限体积法
1.2.1通用对流扩散方程的有限体积离散
1.2.2流场求解的SIMPLE算法
1.2.3交错网格离散法
1.2.4SIMPLE改进算法
1.2.5非正交同位网格有限体积法
1.2.6商业求解器
1.2.7后处理
1.3湍流发展概述
1.3.1湍流的概要介绍
1.3.2常用的湍流模型
1.3.3空化模型
1.3.4泵流动模拟的基本概况
第2章水力部件三维造型方法
2.1圆柱形叶片
2.1.1新建NX文件
2.1.2导入叶片型线
2.1.3绘制补充图
2.1.4创建叶片实体
2.2扭曲叶片
2.2.1录入轴面流道型线
2.2.2新建NX文件
2.2.3从AutoCAD文件导入工作面和背面的型线
2.2.4进行扭曲叶片工作面与背面轴面截线的绘制
2.2.5叶片工作面和背面的绘制
2.2.6叶片各曲面的绘制
2.2.7叶片实体化
2.2.8阵列叶片
2.2.9回转轴面投影图
2.2.10求交
2.2.11保存文件
2.3双流道泵叶轮
2.3.1新建NX文件
2.3.2绘制空间流道中线
2.3.3确定流道中线上各个分点
2.3.4在流道中线各个分点处作流道截面
2.3.5绘制流道
2.3.6绘制叶轮
2.4双叶片污水泵叶轮
2.4.1新建NX文件
2.4.2创建叶片曲面特征
2.4.3创建叶片实体
2.5混流泵叶轮
2.5.1新建NX文件
2.5.2导入叶片表面曲线特征
2.5.3创建叶片曲面特征
2.5.4创建叶轮实体特征
2.6轴流泵叶轮
2.6.1理解二维图
2.6.2用数据文件建立叶片工作面曲线
2.6.3新建NX文件
2.6.4导入叶片表面曲线特征
2.6.5创建叶片曲面特征
2.6.6创建叶轮实体特征
2.7蜗壳
2.7.1新建NX文件
2.7.2断面及基圆绘制
2.7.3扫掠各截面
2.7.4导入蜗壳平面外形图
2.7.5压水室绘制
2.7.6隔舌绘制
2.7.7各部分实体求和
2.7.8生成蜗壳实体
2.8径向导叶
2.8.1新建NX文件
2.8.2绘制正反导叶
2.8.3对导叶隔舌进行造型
2.8.4绘制前后肋板
2.9空间导叶
2，9.1新建NX文件
2.9.2导入叶片表面曲线特征
2.9.3创建叶片曲面特征
2.9.4创建导叶实体特征
第3章ANSYSICEM和CFX软件
3.1ANSYSICEM网格划分操作
3.1.1总体概况
3.1.2几何标签栏
3.1.3网格标签栏
3.1.4块标签栏
3.1.5导出网格标签栏
3.1.6网格划分演练
3.2ANSYSCFX软件操作
3.2.1前处理
3.2.2后处理举例
第4章典型叶片泵数值模拟实例
4.1离心泵定常和非定常数值模拟
4.1.1几何模型
4，1.2叶轮网格划分
4.1.3蜗壳网格划分
4.1.4其他部件网格划分
4.1.5CFX的设置及计算
4.1.6查看残差收敛情况
4.1.7非定常计算
4.1.8查看非定常残差收敛情况
4.1.9后处理
4.2多级离心泵数值模拟
4.2.1多级泵的整体结构
4.2，2叶轮网格划分
4.2.3导叶网格划分
4.2.4CFX的前处理
4.2.5计算
4.2.6CFX的后处理
4.3污水泵固液两相流数值模拟
4.3.1网格划分
4.3.2边界条件
4.3.3后处理
4.4混流泵数值模拟
4.4.1创建各部件几何体
4.4.2进口段结构化网格划分
4.4.3叶轮网格划分
4.4.4导叶网格划分
4.4.5出口弯管网格划分
4，4.6前处理
4.5轴流泵空化数值模拟
4.5.1空化的定常模拟
4.5.2空化的非定常模拟
4.6本章小结
第5章叶片泵流固耦合数值模拟实例
5.1流固耦合方法
5.2单向流固耦合
5.2.1新建文件
5.2.2流体域前处理及求解
5.2.3流体域前处理及求解
5.2.4固体域的处理
5.3双向流固耦合
5.3.1新建文件夹
5.3.2固体域的设置
5.3.3流体域的设置
5.3.4求解
5.3.5后处理
5.4基于单向流固耦合的转子部伯的模态分析
5.4.1新建文件夹
5.4.2流固耦合设置
5.4.3模态分析
5.4.4温模态分析
参考文献

    本书围绕进行叶片泵数值模拟必须进行的三个步骤：三维造型、网格划分和计算流体动力学（CFD），运用大量图片和案例，提供了实战性强的方法，为叶片泵水力设计提供了有力的工具。本书围绕对不同类型的叶片泵进行计算流体力学数值模拟这一主题，首先简要介绍计算流体力学基础知识；然后基于Siemens公司的三维建模软件Unigraphics详细向读者介绍圆柱形离心泵叶轮、扭曲离心泵叶轮、双流道泵叶轮、混流泵叶轮、轴

    本书运用大量图片和案例，对叶片泵数值模拟必须进行的三维造型、网格划分和计算流体动力学（CFD）三个步骤进行阐述，提供了实战性强的泵CFD 模拟方法，为叶片泵水力设计和CFD 优化提供了设计平台和借鉴性强的方法。
    由于叶片泵内部叶轮、蜗壳等水力部件是空间三维扭曲的，且泵内部流体运动复杂，传统的性能预测方法较难准确预测泵的水力性能。在实际叶片泵产品研制过程中，若要验证设计的性能，通常要制造样机进行真机试验才能获得各项叶片泵的性能参数，成本高、周期长，严重制约了水泵产品的技术发展。近年来，随着计算机仿真技术的飞速发展，计算机辅助设计和计算流体力学为分析叶片泵内部的流动以及叶片泵的优化设计提供了新的思路和方法。在此背景下，高等院校本科生、研究生和企业工程师可快速通过本书，学习离心泵叶轮、轴流泵叶轮、蜗壳、径向导叶和空间导叶等水力部件的三维造型方法、网格划分方法、流固耦合等，掌握计算流体动力学（CFD）的基本原理，熟练使用计算流体动力学ANSYS CFX 软件平台，解决叶片泵数值模拟中的三维造型、网格划分和数值模拟中的难点和关键操作步骤。
    本书围绕对不同类型的叶片泵进行计算流体力学数值模拟这一主题，内容覆盖面广、图文并茂、语言通俗。首先简要介绍了计算流体力学基础知识，供读者掌握CFD 基本原理；然后，基于Siemens 公司的三维建模软件Unigraphics 向读者详细介绍圆柱形离心泵叶轮、扭曲离心泵叶轮、双流道泵叶轮、双叶片污水泵、混流泵叶轮、轴流泵叶轮、蜗壳、径向导叶、空间导叶等三维建模技术；*后，基于ANSYS-ICEM 软件介绍网格划分技术，基于ANSYS-CFX 介绍CFD 数值模拟、流固耦合模拟、CFX 二次开发等技术。全书内容深入浅出，理论和实践相结合，侧重软件的操作和使用，实用性强，读者可在较短时间内掌握CFD 这一新兴技术，应用于叶片泵的性能预测和工程优化设计。
    本书适合流体机械专业的本科生、硕士研究生和博士研究生，以及水泵行业的工程技术人员阅读使用和参考。作者希望本书的出版，可推动我国工程界技术人员尽快掌握CFD 技术，并应用于泵行业工程实践中，推动我国水泵行业设计技术的发展和创新。
    张德胜 于江苏大学2015 年8 月前 言