旋转机械|03单旋转参考系

导读：介绍单旋转参考系及其设置方法。

单旋转参考系可以应用于整个计算域旋转的简单系统，叶轮或转子、旋转容器、圆盘、空腔和旋转密封件。

适用特殊的几何约束，也可用于复杂系统的单个旋转部件的初步分析。例如利用叶轮的单一旋转域可以研究泵中的空化问题.

• 随流体域移动的边界可以呈现任何形状（例如：叶轮叶片）
• 静止的边界（相对于绝对框架）必须是围绕旋转轴旋转的曲面。

• 左图对单旋转参考系方法是适用的；右图模型不适合使用单旋转参考系，因为带挡板的固定墙不是绕轴线旋转的表面！

• 定义单个旋转结构域的几何图形；
• 为几何图形生成合适的网格：六面体网格具有优势，因为流动方向与网格对齐；
• 建立CFD模型：
• 流体域:流体材料、域运动、物理模型（湍流、传热、……）
• 边界条件（周期interface、入口、出口、壁面、……）
• 求解器设置
• 设置检测
• 运行计算；
• 后处理。

• 采用双精度打开Fluent

General Settings and Energy Equation

• 采用压力基求解器
• 速度模式选择“Absolute”    
• 计算可压缩流时，需要打开能量方程    

Operating Conditions

• 设置一个适当的操作压力    
• 取决于通过设备的压降或者压升      和设备的正常操作压力      

如果    大于或与    一个量级，设置为0Pa，适用于大多数涡轮机械的应用，如蒸汽和燃气轮机，压缩机，涡轮增压器。

如果    至少比    少一个量级，设置为    ，比如鼓风机和风机

湍流模型

Fluent2020R1后面的版本默认是k-omega SST模型，如果开启能量方程，需要激活“Viscous Heating” 项。

Cell Zone Conditions

• 激活Frame Motion
• 定义旋转速度
• 定义旋转轴：在设置任何旋转周期界面之前，正确地设置旋转轴是很重要的    

边界条件设置

• 旋转周期
• 利用旋转的周期性来减少域的大小：只解决一个叶片通道，而不是整个叶轮；
• 必须确保几何形状和流动都是周期性。    
• 创建周期边界

在边界条件下选择旋转周期边界的两侧：根据它们的名字，它们最初可能在Wall的边界下

网格检查将汇总所创建的所有周期性区域

• 入口边界

（1）压力入口边界（Pressure inlet）：

具有绝对框架总压力和方向的压力入口是首选的入口边界条件：

入口的能力通常是已知，对于可压缩流，还要定义总温；总压力允许在计算出的入口速度和压力上的梯度。

（2）速度或质量入口边界（Velocity- or mass-flow-inlets）：

准确度通常较差；

通常会扭曲能量或总压力分布，特别是当撞击区域位于直接的下游时；可以施加一个已知的入口速度剖面。

• 出口边界

（1）建议在出口处采用平均静压或质量流量（Static Pressure or Mass Flow Rate）：

平均静压→不限制速度或压力的分布；与质量流量配合，收敛性更好；

（2）质量流量Mass Flow Rate:用于泵和压缩机（远离节流器）；

（3）平均静压Average Static Pressure:用于涡轮机和压缩机（接近节流圈）；

对于轴向涡轮机，使用径向平衡压力平均选项。

（4）为了有效地计算可压缩流量的速度线，使用出口校正的质量流量；

在整个速度线上运行良好，改善了不良初始条件下的稳定性。

（5）对所有入口和出口使用“Prevent Reverse Flow”选项相当于对进出口边界设置了人造墙。也可以通过拓展计算域，解决回流现象。

• 壁面边界Wall

（1）在旋转框架中，所有旋转墙（相对于绝对系统）都被视为固定墙：

保留默认的无滑块，固定墙，相对于相邻区域。所有相对于绝对框架外壳墙的固定墙都应设置为以相对于绝对框架的零转速旋转移动的墙

求解方法Solution Methods

• 使用默认的耦合求解器Coupled

激活“Pseudo-Transient”

空间离散方式：

（1）梯度Gradient: Least Squares Cell Based

（2）压力Pressure: Second Order

（3）动量及能量Momentum and Energy: Second Order Upwind

（4）湍流: First Order Upwind

一级迎风通常可以用于湍流，如果要建模从层流到湍流的过渡，请使用高分辨率来提高精度

• 打开“High Order Term Relaxation”

低阶离散化更鲁棒和稳定，但精度较低。离散化误差表现为总压力的假损失，因此在水头和损失的预测误差

初始化

良好的初始化往往是获得叶轮机械问题快速鲁棒收敛的关键。

• 设置初始化压力设置“初始压力”，比使用的进口压力低1至2%，这是在入口边界设置    
• 使用入口值执行“标准初始化”(对于适当的k和omega初始化)    
• 使用“Use Specific Initial Pressure on Inlets”选项执行“混合初始化”    

稳态模拟的时间尺度因子

使用一个在5到10之间的“时Time Scale Factor”当从一个较差的初始猜测开始时，可能需要一个更小的时间尺度因子，对应于一个较小的时间步长（更多的松弛）。在初始收敛后，增加了时间尺度因子。在接受最终结果之前，确保解决方案运行与最大时间尺度成比例的时间步长。目标是1/omega作为最后的时间步长（对应于流畅的“时间尺度因子”为10）

报告定义

创建多个报告定义，以帮助您判断收敛性

• 面报告（Surface Reports）：创建以下内容的命名表达式，并在报表定义中使用它们,流量，入口和/或出口的质量加权平均值，入口和/或出口处静压的面积加权平均值。
• 力报告：力矩（moment）、推力（Force）

收敛判断

通过监控判断收敛性

收敛残差（Solution residuals）、输出检测点（Report Plots）、质量和能量报告通量（Mass and Energy Report Fluxes）。

• 单旋转参考系是旋转机械最简单的建模方法
• 适用于绝对坐标系中没有非轴对称静止部件的单旋转区域（例如转子域）
• 旋转周期允许减少域大小（一个通道与全360°）
• 对于稳态解，使用的时间尺度为1/