離心泵非結構化四面體網格生成及應用研究.pdf

1、網格是CFD計算和有限元分析的關鍵之一，其質量直接影響CFD數(shù)值計算的精度、收斂性和效率。由于離心泵幾何外形復雜、曲率變化劇烈，廣泛應用的非結構化四面體網格生成算法仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，很難生成高質量的四面體網格。因此，如何精確而高效地生成與計算區(qū)域相適應的高質量四面體網格是離心泵數(shù)值模擬亟待解決的難題之一，這不僅能為離心泵數(shù)值計算提供高質量網格，促進網格生成理論和方法的發(fā)展，也能為其它類型泵及幾何形狀復雜機械部件高質量網格的生成提供借鑒。

2、
　　 本文在國家自然科學基金項目“基于RM-DT算法的水泵CFD非結構化網格生成研究”(No-51179075)的資助下，針對離心泵非結構化四面體網格生成過程中存在的問題展開研究，在理論分析、算例驗證、數(shù)值模擬和試驗研究的基礎上提出了一整套適用于離心泵幾何形狀特點的四面體網格生成算法。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有：
　　 1.系統(tǒng)地總結了國內外非結構化四面體網格生成技術的研究現(xiàn)狀，重點闡述了現(xiàn)有網格質量衡量準則、空間曲

3、面和三維實體網格劃分以及網格優(yōu)化算法存在的主要問題。歸納了離心泵內部流動數(shù)值模擬干擾因素的研究成果。此外，還對離心泵內部流動PIV測量做了較為全面的概括。
　　 2.在對比分析不同造型方法對網格劃分難易、生成網格的質量以及效率影響的基礎上，確定了離心泵全計算域各過流部件的造型方法，并基于VC6.0軟件開發(fā)平臺以及Pro/TOOLKIT，通過建立尺寸變量驅動的三維實體模板，開發(fā)了離心泵全計算域三維參數(shù)化自動造型及裝配軟件P3D。同

4、時，為了完成設計參數(shù)輸入和數(shù)據(jù)傳遞，采用動態(tài)連接庫通信方式調用MFC，設計了直觀易用的可視化交互界面。實例表明，程序運行效果良好，能大幅提高工作效率。
　　 3.為增強評估四面體網格質量的能力，建立一種基于四面體單元幾何特性的網格質量衡量準則。選取9種常用衡量準則進行比較，結果表明新準則在對劣質單元、單元形狀變化的評判以及判別網格質量所耗費時間方面都顯示出了較好的優(yōu)勢。在此基礎上，結合彎管數(shù)值計算和PIV試驗，探討了構建網格獨立

5、解的方法。同時，采用新準則和其它3種準則，對網格質量衡量準則與計算精度的關系進行了深入分析。研究表明，在計算誤差為Ere>0.15的區(qū)間內，誤差的變化能夠引起新衡量準則度量值的變化，故該衡量準則能夠正確地評判出對計算精度影響較大的劣質單元。
　　 4.針對離心泵空間曲面網格生成過程中映射畸變問題，首次提出了一種基于黎曼度量并結合AFT和Delaunay法的曲面網格生成方法，即采用AFT來生成參數(shù)域的背景網格，且在對參數(shù)域內背景網

6、格進行加密時，為了抵消映射過程的畸變，采用插入三角形外接橢圓中心的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)Delaunay插點內核。該方法通過黎曼度量的引入以及合理的背景網格充分考慮了映射畸變和算法效率，不同比轉數(shù)離心泵葉片實例表明，算法易于實施，穩(wěn)定性好且生成的曲面網格質量較高。
　　 5.針對三維實體網格Sliver單元消除問題，在歸納分析加密消除Sliver單元算法原理的基礎上，對一種較優(yōu)的消除算法進行了改進，優(yōu)化了其判斷Sliver單元的方法，并通

7、過保證插入新點后不產生細小Sliver單元的方式，解決了原方法對于插入點位置要求過于苛刻的問題。算例表明，本文算法能夠完全消除離心泵中的Sliver單元。
　　 6.針對網格優(yōu)化過程中邊界網格質量難以控制的問題，提出了一種基于優(yōu)化算法的光順(Optimization-based smoothing，OPS)。對比分析了不同目標函數(shù)和求最優(yōu)解方法在網格數(shù)、迭代次數(shù)以及需求精度等因素變化下對OPS優(yōu)化效果的影響，選用一種最優(yōu)的目標函

8、數(shù)，并將其變換為包含有考慮邊界網格質量和內部網格質量的函數(shù)項，且為函數(shù)項添加了一個權重系數(shù)C，從而實現(xiàn)了對內部和邊界處網格單元質量的同時控制。通過實例驗證，該方法不但能夠提高內部網格質量且能夠提高邊界處網格質量，權重系數(shù)C取0.7能夠取得較好的優(yōu)化效果且效率較高。
　　 7.針對OPS算法本身固有的無法提高“全邊界單元”質量的缺陷，首次提出了一種結合OPS和拓撲優(yōu)化的網格質量提高策略，該方法通過判別“全邊界單元”中邊(或面)被相

9、鄰單元共享的形式，而采用不同的拓撲交換方式，且在拓撲交換過程中僅考慮優(yōu)化后網格的拓撲相關性，并不考慮連通區(qū)域的質量，保證能夠將此類單元轉換為非“全邊界單元”，從而在隨后的OPS優(yōu)化中獲得較好的優(yōu)化效果。
　　 8.采用CFD計算與PIV試驗方式驗證四面體網格生成算法的有效性。選取16臺不同比轉數(shù)的離心泵，探討了不同計算域、湍流模型、進出口邊界條件、速度壓力耦合算法以及收斂精度等干擾因素對數(shù)值計算的影響，以確定最佳數(shù)值計算方法。在

10、此基礎上，應用某商用網格劃分軟件和本文算法生成網格進行了數(shù)值計算，并與離心泵PIV試驗進行了比較。結果表明網格數(shù)量相近的情況下，本文算法得到的最差單元質量以及網格平均質量都要好于商用網格劃分軟件。對于外特性而言，兩套網格計算的揚程和效率誤差均在3.5％以內，但采用本文算法生成的網格預測精度更高；對于內流場而言，兩套網格都與試驗值存在一些的差異，數(shù)值上的差異尤為明顯，但本文算法生成的網格無論是在預測離心泵內部流動趨勢還是在數(shù)值上都要好于商