Fluent案例解析_MPM混合平面模型_涡轮机

本篇章介绍一个Fluent关于MPM混合平面模型的单级轴流式涡轮机案例，主要内容如下：

▉ 混合平面模型简介

▉ 问题描述

▉ 分析流程

▉ 讨论

本案例分析的是一种典型配置的单级轴流式涡轮机，分析的是前面有转子(进行旋转)、后面有定子(固定叶片)的轴流风机的流动，我们将把转子和定子放在一起考虑，这样在一次计算中，就可以确定这些组件之间的相互作用。

转子和定子分别由9片和12片叶片组成。这种配置的稳态解决方案只需要一个转子叶片和一个定子叶片。由于转子和定子的周期角不同，必须在界面处使用混合平面。

混合平面定义在转子出口/定子进口。该网格在转子和定子叶片的两侧设置有周期性边界。在上游边界处采用压力入口，在下游边界处采用压力出口。环境空气被吸入风扇(在0Pa压力表总压下)，并被排回环境环境(0Pa静压)。转子的轮毂和叶片的旋转速度为每分钟1800转。

▊模型导入

通过File_Read_Mesh导入该模型的网格文件_

▊General设置

模型导入后进行Check网格质量检查、Scale尺寸设置、可依据需要修改单位Unit、选择Pressure-Based压力基、Absolute绝对速度、Steady稳态_

▊Model设置

双击打开Viscous，选择K-epsilon方程，其他保持默认_

▊混合面设置

通过Domain_Mixing Planes_创建混合面_

[注意]

✦每个流体区(定子和转子)被解决为一个稳态问题。在一定的迭代间隔内，混合平面界面处的流动数据为在转子出口和定子进口边界的圆周方向上取平均值。FLUENT使用这些周向平均值来定义流动特性的“profiles”。然后就用这些profiles来更新混合平面界面处两个区域的边界条件。

✦以上是较为官方的翻译内容，简单来说就是假设两个流体区域(定子区域和转子区域)为稳态问题，在区域的交界面处设立混合面，并利用其在迭代的过程中不断计算更新两个区域在混合面位置的边界条件(本模型中就是转子的出口条件和定子的入口条件)来使我们做的稳态假设是成立的(实际上不可能是稳态的，只是利用混合面使其相对接近)。

✦对于计算混合平面剖面的默认方法使用面积加权平均方法；在某些情况下，质量流量加权平均可能是合适的(例如，可压缩涡轮机械流)；第三种平均方法(Mixed Out平均)也适用于理想气体流动。

▊Materials设置

该案例流体域的材料为air(空气)，Fluent默认流体域材料就是air，保持默认即可_

▊Cell ZoneConditions设置

对流体域的设置如图中所示，选择材料，勾选Frame Motion并设置旋转中心坐标、旋转方向(依据右手定则)、旋转角速度_

其实此处Cell Zone Conditions设置的本质就是给这部分流体域设置一个坐标系，对于相对运动，多重坐标系、扇叶旋转设置等之间联系比较复杂，会在篇尾[Wall设置]部分详细介绍；

单位可在General模块中Unit中进行更改，rev/min即转每分钟，有时也写成rpm；

▊边界条件设置

为了计算效率考虑，本案例只选取真实流场的部分进行建模并采用周期性边界条件，具体如图所示_

「进出口边界」

转子部分入口采用压力进口边界条件，定子部分出口采用压力出口边界条件，具体如图中所示_

转子部分出口类型选择压力出口边界条件，定子部分入口类型选择压力入口边界条件，然后其他保持默认即可，因为之前已经采用这两个边界创建了混合面，故此处保持默认即可，面板具体属性如图中所示_

「Wall设置」

此处需要特别注意，本案例在真实环境下，壁面rotor-blade和rotor-hub是旋转的，其他的壁面是固定不动的，通过扇叶的旋转带动空气的流动，那在模型中应该怎么设置呢？

之前的Cell Zone Conditions设置，其本质就是给其流体域设置一个坐标系，转子流体域的设置内容为转子流体域采用一个旋转坐标系，该旋转坐标系相对于绝对坐标系是围绕旋转中心(0,0,0)按照设定的旋转方向(0,0,-1)和旋转角速度(1800rpm)进行旋转的；

对于旋转坐标系，ANSYS FLUENT默认假定壁面是随旋转坐标系旋转的，即区域内的壁面与该旋转坐标系保持相对静止，因此壁面rotor-blade和rotor-hub保持默认设置即可，即壁面rotor-blade和rotor-hub与其所在的旋转坐标系相对静止，即相对于绝对坐标系是旋转的，这便于真实环境相互吻合。

对于在真实情况中固定不动的壁面，比如图中壁面rotor-shroud、rotor-inlet-shroud和rotor-inlet-hub，在模型中可采用图中的设置，选择Moving Wall(运动壁面)，特别注意Motion模块的设置，相对于Absolute(绝对坐标系)进行Rotational(旋转)，旋转中心(0,0,0)与旋转方向(0,0,-1)与该流体域所在的旋转坐标系保持一致，旋转角速度设置为0，表示该壁面在绝对坐标系下是固定不动的；

对于定子流体域内的壁面stator-shroud、stator-blade和stator-hub在真实情况下是固定不动的，所以可以按照转子区域内静止不动的壁面rotor-shroud、rotor-inlet-shroud和rotor-inlet-hub那样去设置；

或者直接保持默认，即壁面stator-shroud、stator-blade和stator-hub跟随其所在流体域的旋转坐标系运动，我们对定子流体域旋转坐标系的设置是：该旋转坐标系相对于绝对坐标系是围绕旋转中心(0,0,0)按照设定的旋转方向(0,0,-1)和旋转角速度(0rpm)进行旋转的，即与绝对坐标系相对静止，即壁面stator-shroud、stator-blade和stator-hub在绝对坐标系下是固定不动的；

「对比MRF扇叶设置」

在上一篇章《Fluent案例解析_MRF旋转机械_水泵》中关于叶片旋转位置流体域的Cell Zone Conditions设置和叶片壁面设置如下：

同样是在叶片旋转位置流体域设置一个旋转坐标系，该旋转坐标系是围绕旋转中心(0,-45,0)按照旋转方向(1,0,0)和角速度(5820rpm)旋转的；

叶片设置为Moving Wall(运动壁面)，注意Motion模块选择的是Relative to Adjacent Cell Zone(相对于相邻Cell Zone)，即叶片相对于周边流体域所在的旋转坐标系是围绕旋转中心(0，-45,0)按照旋转方向(1,0,0)和角速度(0rpm)旋转的，即叶片与该旋转坐标系保持相对静止，即该叶片在绝对坐标系下是旋转运动的；

或许也可以参照本篇章模型转子区域旋转叶片的设置，即叶片设置中Wall Motion模块选择Stationary Wall，其他保持默认设置，即叶片跟随所在的旋转坐标系运动，我认为也是可以的，但是我并没有进行尝试_

以上是我对多重坐标系、相对运动、叶片旋转设置等的一些理解，希望能有所帮助！

▊Solution设置

关于Solution的相关设置如图，具体设置会影响到计算的收敛情况和计算精度等，我主要是学习混合面模型(MPM)的使用方法，并不是主修该方向，在求解设置方面了解不多，不做过多介绍了_

可以设置监测定子出口的质量流率，并设置残差,若计算收敛但监测面并不稳定，则需要降低残差后继续计算，可依据计算情况自行调整残差，直到监测面曲线稳定_

▊初始化、计算

对于复杂拓扑中的流动，混合初始化比标准初始化提供更好的初始速度和压力场。这通常有助于改进求解器的收敛行为。有时控制台中会显示警告(在混合初始化期间没有达到收敛公差1.000000e-06)。这意味着默认迭代次数不够。需要增加迭代次数并重新初始化。

初始化后通过File_Write_Case保存模型_

并按照图中设置进行计算_

▊结果查看、后处理

依据监测面曲线判定计算收敛情况_

查看模型通量报告,评价收敛情况_

后处理依据个人情况自行查看，再次不做过多介绍了_

本篇章以一种典型配置的单级轴流式涡轮机为案例，简要介绍了混合面模型的基本原理和使用方法，因本人并不从事此相关领域，有些内容仅是一笔带过，也可能会存在一些理解不足等问题，欢迎指正交流！

以下是本篇章案例的模型文件及一些学习资料_

下载链接：见附件

[仅供学习交流使用]