新一代CAE/CFD

　　低比转速离心泵的出口宽度小、流道狭长，特别是具有后置导叶的离心泵，在高速转动下动静转子间存在着剧烈的动静干涉作用，这使得流体在通道内的流动变得非常复杂，容易发生流动分离和涡流，给仿真带来很大挑战。

　　本案例基于Dimaxer 2024R1动网格计算方法对Genova离心泵进行仿真计算，重点验证动静交界面无精度损失。

　　01 网格划分

　　Meshing

　　本案例采用非结构六面体网格，离心泵半径为0.37m，主要包括旋转域与静止域两部分，网格数量22万。在k1精度下对应求解点176万，K3精度下对应求解点1400万。

　　网格示意图

　　02 工况配置

　　Scenario configuration

边界条件参数：

　　边界条件示意图

　　03 计算流程

　　Calculation process

　　在进行离心泵的计算时，由于其结构复杂再加上机械旋转，流动更加复杂。Dimaxer软件采用显式时间推进方式，对初场较为敏感，为获得一个稳定的初场条件，首先进行K1低精度计算，转速为2000RPM。随后从K1低精度转为K3高精度进行计算，K3高精度的计算以K1低精度结果做初场条件，求解点从22万提升至1400万，可以捕获更多流场细节。

　　关于PLC

　　PLC是Dimaxer软件中独有的一种稳定化参数，适用于处理激波类间断问题，其基本思路是引入分段常数来消除高频脉动信息。总的来说，PLC权重越大，流场越趋向于平均结果，脉动信息少，稳定性更高;PLC权重越小，可获得更丰富的流场信息，解析精度越高。实际算例计算过程中可充分利用PLC机制以实现解析度高、稳定性好的目标。

　　计算流程示意图

　　04 结果分析

　　Analysis of results

         k1精度计算结果

• k1精度rpm=2000时计算结果

　　速度云图

　　从上述k1精度计算结果可以看出旋转效果，整体流场趋于稳定。由于精度较低，求解点仅22万，导致流场内看不出太多非定常湍流脉动效果，其解析度基本与RANS持平。

　　k3精度计算结果

　　以上述K1结果做初场，进行K3四阶精度计算，求解点提升至1400万，可以捕获更多流动细节。

• 不同PLC流场对比

　　速度云图：

　　工况1(PLC_threshold=-3.0)

　　工况2(PLC_threshold=-8.0)

Q等值面图：

　　工况1(PLC_threshold=-3.0)

　　工况2(PLC_threshold=-8.0)

　　能谱衰减度Spectral Energy Decay可以一定程度表征当地结果中高频量的解析程度，其值越大，表示高频信息越丰富。PLC Threshold表示触发PLC稳定化措施的SED阈值，当地SED大于给定的PLC Threshold时候，则施加一定PLC权重抹除高频信息。如上图所示，工况2 PLC Threshold相比工况1给的更小，则更容易触发PLC机制，抹除部分高频脉动信息。但相应的，其计算稳定性会大大提升。

　　速度云图:

工况1(PLC_threshold=-3.0)

　　工况2(PLC_threshold=-8.0)

　　Q等值面图：

工况1(PLC_threshold=-3.0)

工况2(PLC_threshold=-8.0)

　　从以上计算结果对比中可以看到，PLC权重越少(对应工况1PLC Threshold越大)，其捕捉到的湍流效果越明显，流场信息更精确。

• 不同PL进出口流量对比

　　进口流量变化图

　　出口流量变化曲线

　　当流场稳定之后，两种PLC工况下流量变化相差较小，这说明PLC的改变只会对流场的捕捉有差异，但是对流量的计算是完全相符的。

• 不同PLC计算效率对比

从上述计算时间可以看出，PLC权重越多(对应工况2 PLC Threshold越小)，其计算效率越高。理由是其抹除了部分高频湍流脉动信息，当地时间步长更均匀一致，在GPU下计算起来更快;反之，PLC权重少的工况，湍流脉动明显，存在局部更小的当地时间不长，需要计算的时间更久一些。因此，选择合适的PLC，在保证流场信息无误的情况下，提高计算效率是很有必要的。

　　本算例在K3精度对应1400万求解点的情况下，使用1张RTX 4090显卡，约2.5小时可以转1圈。

• Dimaxer不同PLC计算结果与进口商业软件对比

　　Dimaxer 工况1

　　某进口商业软件

　　Dimaxer 工况2

　　从上述流量数据可以看到，Dimaxer计算结果与进口商业软件RANS计算结果相近;从速度云图可以看到，Dimaxer计算结果能够捕捉到更多的流动细节。

　　交界面展示

　　压力等值面图

　　速度云图

　　从上述云图中可以看到，在动静交界面处，旋转域与静止域的流场连续性良好，流动细节无损失。充分说明采用 Dimaxer 软件动网格方法进行旋转机械的仿真可以获得高精度解析结果，动静交界面处无精度损失。

　　总结

　　Dimaxer 2024R1支持不同精度仿真，用户可以根据需求灵活选择精度(支持5阶精度)。对Genova离心泵进行仿真计算时，首先采用从k1精度到k3精度的计算方式，能够在更短的时间内获得稳定的流场信息。其次，通过对比两种不同PLC工况结果表明，PLC权重越少，对于流场与涡的捕捉效果越好，能够获得更加精准的流场信息。