CFX 重叠网格案例：双叶轮泵瞬态运动仿真流程与流场结果
CFX 重叠网格案例：双叶轮泵瞬态运动仿真流程与流场结果
前言
在旋转机械 CFD 仿真中，叶轮周期性旋转带来的动静耦合流场是常见难点。传统滑移网格方法在复杂运动边界下可能面临网格畸变、负体积等问题；多参考坐标系方法更适用于稳态近似，难以准确描述真实瞬态过程。相比之下，重叠网格方法可将运动部件与背景流体域分别划分网格，并通过重叠区域插值完成数据交换，适合用于双叶轮同步或异步旋转的瞬态求解。
本文以双十字叶轮泵为案例，设置 CFX 重叠网格建模、域设置、瞬态求解参数配置，并展示内部速度云图、矢量流场仿真结果，给泵类仿真工程师提供可复用实操方案。
一、仿真模型与几何网格搭建
1.1 泵体三维几何模型
本次仿真对象为椭圆形腔体双十字叶轮泵，腔体上下分别设置流体进出口，直接设置opening即可，腔内布置两组结构相同的十字搅拌叶轮，一组做旋转运动，另外一组反向旋转运动，背景网格为water水。
泵体三维几何模型
1.2 重叠网格划分方案
重叠网格分为两大独立网格体系：
1. 背景网格（静域）：完整泵腔流体区域，静止连续流体域；
2. 浸没实体网格（动叶轮）：旋转叶轮独立网格，作为运动固体域嵌入背景网格，两套网格空间重叠，通过插值完成数据交换。
叶轮壁面局部加密，保证旋转间隙流场捕捉精度。
整体重叠网格剖分图
二、CFX 重叠网格核心域设置步骤
2.1 静止流体背景域（Background Domain）
泵腔全域定义为Continuous Fluid 连续流体域，按照常规方式设置介质选择 Water 水，域运动类型为 Stationary 静止，无网格变形，参考压力 1atm。
进出口设置上下均匀流动边界，为流体进出通道。
静止流体背景域参数面板
2.2 旋转叶轮实体域（Immersed Solid）
左侧十字叶轮单独创建重叠实体域，核心运动参数设置：
• 域类型：Immersed Solid 浸没固体；
• 运动模式：Rotating 旋转；
• 角速度：-3.14 rad/s（逆时针旋转）；
• 旋转轴：全局 Z 轴；
右侧十字叶轮设置方式同左侧叶轮，方向相反，注意旋转轴的坐标偏移。
旋转叶轮浸没实体域设置面板
重叠网格优势：
1. 动静几何无需切割分块，几何建模难度大幅降低；
2. 旋转过程无网格光顺、重构，彻底规避负体积报错；
3. 多组独立运动部件可分别创建实体，适配多叶轮、齿轮泵、搅拌釜复杂运动场景。
4. 数据传递通过动网格边界传递流体压力和速度
缺点：只能做流体分析，获取流体相关压力速度等，不能做温度场等其他物理场
三、瞬态求解时间步参数配置
本次为非定常瞬态仿真，精准捕捉叶轮旋转过程流场动态变化，分析类型与时间参数如下：
1. 分析类型：Transient 瞬态；
2. 总计算时长：5s，完整覆盖多圈叶轮旋转周期；
3. 时间步长：0.01s，单步旋转角度小，保证瞬态流场时间精度；
4. 初始时间：0s，从零时刻开始迭代计算。
瞬态时间步长设置界面
时间步选取原则：叶轮旋转仿真单步转角建议控制在 3°~5° 以内，步长过大会造成流场振荡、收敛困难，步长过小会成倍增加计算耗时。
四、瞬态仿真流场结果
4.1 速度幅值云图
选取稳定计算时刻截面速度云图，速度区间 0~0.1954m/s：
1. 高速区集中在动静叶轮中间干涉区域，旋转叶轮搅动流体，流体挤压碰撞形成局部高速带；
2. 腔体边缘、上下进出口流速偏低，角落存在低速滞留区；
速度云图
3. 监控流体的出口区域，得到流速图，明显的有有振动现象产生，这也就是叶轮泵不连续的的结果
出口速度
4.2 速度矢量流线图
矢量图直观展示腔内流体环流结构：
1. 旋转叶轮带动周边流体形成大尺度环形涡流，流体沿叶片切线方向甩出；
2. 叶轮间隙流体相互对冲，产生局部小漩涡，是泵内能量损失、压力脉动的主要来源；
3. 上下进出口形成贯穿流道，整体流体从下端流入、上端流出，完成介质输送。
速度矢量流线分布图
五、仿真总结与工程应用建议
1. 重叠网格适配场景：多叶轮泵、齿轮泵、搅拌设备、多运动部件阀门瞬态仿真，尤其适合几何复杂、动静间隙狭小的模型；
2. 参数优化要点：重叠区域网格尺寸尽量匹配，保证至少 3~4 层重叠插值网格；瞬态步长结合叶轮转速合理选取；
3. 工程价值：通过本次仿真可量化叶轮干涉区流速、涡流强度，指导叶轮间距、叶片结构优化，降低水力损失，提升泵输送效率。
后续可基于本模型拓展压力脉动、扭矩、流固耦合分析，完整评估双叶轮泵水力性能。
内容简介：ansys的设置文件
