SRF、壁面运动及动网格

本文简单测试并比较SRF、壁面运动以及动网格对于旋转运动的处理。

采用如下图所示的几何模型。密闭容器中包含一个以角速度200 RPM的十字桨叶，在计算时是采用SRF还是直接给桨叶壁面边界指定旋转速度？

采用动网格虽然能够完全与真实情况吻合，但计算量大且计算网格质量难以保证。采用嵌套网格虽然可以从一定程度上降低网格质量破坏的影响，但依然存在瞬态计算量较大的问题。有些时候仅仅只是想要得到一个稳定工作后的状态，此时可以考虑SRF之类的动参考系模型或滑移网格模型。

1 SRF模型

采用SRF模型进行计算。

• 稳态计算
• 指定计算区域旋转速度为300 RPM

• 指定内部桨叶相对区域速度为0 m/s

• 指定外部壁面速度为绝对速度0 m/s

计算完毕后查看区域内速度分布，如下图所示。

注：二维问题注意将收敛残差降低到1e-6以下。上面的计算结果是计算结果收敛到1e-8时的情况。

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2 壁面运动

直接指定壁面运动速度。

计算收敛到1e-8后得到的结果如下图所示。

3 动网格

要想真实地计算区域内的速度分布，需要使用滑移网格或动网格。动网格是能够完全反映真实的桨叶旋转的。

这里动网格是在稳态SRF计算结果基础上进行计算。即先进行SRF稳态计算，然后将计算切换为瞬态，同时关闭区域SRF运动，将所有壁面恢复为光滑无滑移壁面。

• 激活动网格
• 采用Smoothing及Remeshing
• 设置桨叶壁面为Rigid Body，利用UDF指定桨叶运动速度为300 RPM

UDF如下所示。

#include "udf.h"
DEFINE_CG_MOTION(piston,dt,vel,omega,time,dtime)
{
    NV_S(omega,=,0.0);
    omega[2] = 300*2*3.1414926/60;
}

计算结果如下图所示。

采用动网格方法计算3.4s时刻稳定后的流场结构如下图所示。

从流场结果来看，SRF计算结果与动网格基本吻合，只不过SRF并不能反映真实的桨叶运动过程，其只能够反映桨叶在原始位置时的流场信息。

本案例还可以使用MRF及滑移网格进行处理，留着下次再来比较。

注：从比较的结果来看，对于这种旋转问题，采用SRF没有多大问题，不过不能直接指定壁面旋转。其实指定壁面运动仅适用于壁面沿其切向运动时。当壁面沿其法向方向存在运动时，是不可以直接指定其运动速度进行稳态计算的。

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