Fluent 动网格实战｜双叶轮同时旋转瞬态 CFD 仿真完整教程

Fluent 动网格实战｜双叶轮同时旋转瞬态 CFD 仿真完整教程

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前言

          在叶轮泵、搅拌设备仿真工作中，经常遇到两个叶轮同时转动（可同步 / 异步旋转）的工况。滑移网格需要对流体域切割分块，叶轮间距很小时几何切分难度大；重叠网格需要多套网格，前处理工作量高。此时可以选择 FluentDynamic Mesh 动网格（刚体运动 + 局部重构），仅使用单套流体网格，直接定义两个叶轮壁面为刚体，实现各自独立旋转。

该方法依靠网格光顺 + 局部重构实现旋转运动，网格会发生变形，相比滑移网格、重叠网格更容易出现负体积，需要做好参数调试。

本文以双十字叶轮泵算例，讲解前处理、UDF 编译、动网格配置、预览、计算后处理。

一、仿真模型与网格前处理

1.1 几何模型

        椭圆形泵腔腔体，上下设置流体进出口；腔内包含两组十字叶轮，左右叶轮均可独立旋转，可设置同向、反向、不同转速，介质为流体水。

泵几何模型

1.2 网格与边界命名

整个计算域生成三角形非结构流体网格，不切割流体域，叶轮周边网格适当加密。

全域流体网格

边界命名是动网格设置的基础：

• inface：上端压力入口

• outface：下端压力出口

• leftwall：左侧 X 型叶轮壁面

• rightwall：右侧十字叶轮壁面

边界命名示意图

关键检查：导入 Fluent 后执行MeshCheck，确保没有负体积单元，网格歪斜度尽量控制在 0.7 以内。

二、求解器基础设置

1. 进入General面板，开启 Transient 瞬态求解，速度格式选择绝对速度。

2. 物理模型：湍流模型选用 Realizable kε 或者 kω SST，适合泵内旋转流场。

3. 材料：定义waterliquid液态水分配给流体域。

4. 边界条件：设置入口压力入口、出口压力出口，泵外壳壁面保持静止 wall。

Fluent基础求解器界面

重点：叶轮壁面先保持普通 wall，不要设置 Moving Wall，运动由动网格刚体定义。

三、编写刚体旋转 UDF，实现双叶轮独立转动

因为两个叶轮旋转中心、转速、转向不一样，本算例使用DEFINE_CG_MOTION类型 UDF 定义刚体运动。

#include "udf.h"

/* 叶轮刚体旋转，绕Z轴旋转 */

DEFINE_CG_MOTION(name, dt, vel, omega, time, dtime)

{

NV_S(vel, =, 0.0);

NV_S(omega, =, 0.0);

vel[0] = 0.0;

vel[1] = 0.0;

vel[2] = 0.0;

omega[0] = 0.0;

omega[1] = 0.0;

omega[2] = -3.14; /* Z轴角速度rad/s，正负控制旋转方向 */

}

操作步骤：

1. 将.cUDF 文件加载进 Fluent，编译生成库文件；

2. 两个叶轮可以使用同一个 UDF，也可以编写两份 UDF 实现异步转速、反向旋转。

四、Dynamic Mesh 动网格配置

4.1 开启动网格总开关

        左侧选择Dynamic Mesh，勾选Dynamic Mesh；

网格更新方法勾选：

• ✅Smoothing光顺

• ✅Remeshing局部重新划分网格

        进入 Settings 设置参数：

1. Smoothing 光顺：弹簧光顺，弹簧常数因子 0.60.8，降低网格畸变；

2. Remeshing 重构参数

o 最小长度尺度：0.001m

o 最大长度尺度：0.01m

o 最大偏斜度：0.7（超过阈值自动重构网格，防止负体积）

4.2 分别创建两套叶轮刚体动网格区域

      点击Create/Edit打开动网格区域窗口。

①左侧叶轮 leftwall

1. 区域选择leftwall；类型选择刚体；

2. 运动 UDF 选择编译好的libudf::impeller_rotate；

3. 重心位置填写左侧叶轮旋转中心坐标；

左侧叶轮刚体设置

②右侧叶轮 rightwall

1. 区域选择rightwall；类型选择刚体；

2. UDF 选择对应运动库，可以设置不同角速度实现异步旋转；

3. 修改重心位置为右侧叶轮旋转中心；

4. 点击创建。

右侧叶轮刚体设置

两个叶轮旋转中心坐标不一样，重心位置一定要填写准确，否则叶轮会发生平移漂移。

4.3 动网格预览

        在 Dynamic Mesh 面板点击Preview Mesh Motion

• 时间步长：0.01s；预览步数 20 步

• 观察网格旋转状态，查看是否出现网格挤压、穿透、负体积。

动网格预览效果

预览出现负体积的处理办法：

1. 缩小时间步长，控制单步旋转转角≤5°；

2. 降低弹簧常数因子；

3. 降低重构最大偏斜度阈值；

4. 叶轮间隙区域适当加密网格。

五、瞬态计算参数设置

进入Run Calculation：

1. Time Step Size：0.005 s；

2. Number of Time Steps：200 步，总计算时长 1s；

3. 每步最大迭代次数：20；

4. 初始化后，开始瞬态计算。

建议：可以先使用较小转速计算流场，之后再切换到目标转速，减少计算发散风险。

六、仿真结果后处理展示

计算收敛后提取截面速度云图：

速度幅值云图

1. 高速区集中在两个叶轮相互干涉的间隙位置，两个旋转叶片挤压流体形成局部高速带；

2. 叶片尖端流速高，叶轮中心、腔体角落存在低速滞留区；

3. 叶轮同步 / 异步旋转会改变干涉区域涡流形态，该仿真方案可以捕捉叶轮相互作用带来的瞬态涡流、压力脉动。

七、技术总结与选型建议

Dynamic Mesh 刚体动网格双叶轮仿真优点

1. 只需要一套流体网格，不需要切割动静域，不需要创建交界面 interface；

2. 支持两个叶轮独立设置转速、转向，适配同步、反向、异步旋转工况。