第09章 可动域中流动问题的建模.doc

可动区域中流动问题的建模 前言 在运动参考系中的流动问题求解需要使用可动单元体。单元体的运动可以由用来依附单元体的参考坐标系的运动来解释。由此，很多包含运动部件的问题可以在fluent中得到解决。 9.1概述 这一强大的特性可以求解计算区域或者部分计算区域是运动时的流动问题。包括以下几个方面： 单一旋转系中的流动 多旋转或（和）变动（translating）参考坐标系中的流动 单一旋转系可以用于涡轮机械，搅拌槽，以及相关装置中流动的建模．在这种情况下，因为转子或者叶轮周期性的掠过求解域，相对惯性参考系来讲，流动是不稳定的。然而，在不考虑静止部件的情况下，取于旋转部件一起运动的一个计算域，那么相对这个旋转参考系（非惯性系）来讲，流动就是稳定的了，这样就简化了问题的分析。 但是如果除了旋转部件，静止部件也要考虑的话，就不能用上述办法将问题简化。比如在涡轮机械中的叶轮和转子靠的很近（这样转子和定子之间的相互作用就变得重要了）。Fluent提供了以下三种解决的办法： 多参考系模型（MRF） 混合平面模型 滑动网格模型 前两种模型均假设流动是稳定的，转子－定子或叶轮－轮盖的作用效果是近似的平均这两种模型可用于转子定子之间的只有微弱的相互作用，或只需要求系统的近似解的场合。相反，滑动网格假定流动是不稳定的，因此可以真实的模拟转子定子之间的相互作用。显然滑动网格模型可用于转子和定子之间有强烈的相互作用和要求对系统进行精确的仿真的场合，但是值得注意的是，滑动网格模型使用非稳态的数值求解，计算上的要求就比前两种模型要苛刻的多。 9.2旋转参考坐标系中的流动 9.2.1概述 通常FLUENT中的模型都是建立在惯性参考坐标系中（例如无加速度坐标系统），但是，FLUNET也可以在具有加速度的参考坐标系中建立流动模型。这样，用于描述流动的运动方程中就包含了加速度参考坐标系统。旋转设备中的流动问题工程中常见一个有关加速度参考坐标系的例子。很多这样的流动问题可以通过建立一个于与旋转设备一起运动的坐标系来建模，从而使得在径向的加速度为常数。这一类的旋转问题在FLUENT中就可以用旋转参考坐标系来处理。图9.2.1例举了一个旋转标系中的流动问题，阐明了坐标系转换过程中动静部分的变化。 旋转坐标系应用 图9.2.2例举了几个可以应用旋转坐标系来建模的流动问题包括以下几个方面： 搅拌槽中的搅拌桨 涡轮机械的旋转叶片（如离心机叶轮，轴流风扇等） 旋转通道中的流动（如冷却管道，二次风流动环路，旋转设备中的圆盘空穴等） 当这些问题被定义在旋转坐标系中时，由于旋转边界与参考系以相同的速度运动，因此旋转边界相对于旋转参考系是静止的。 定子－转子相互作用模型的建立 9.1节中已经提到，转子－定子之间的相互作用问题不能简单的通过把坐标系转换成旋转坐标系来解决。在FLUENT中，转子－定子相互作用必须通过MRF法，混合平面法或滑动网格的方法来解决，这些方法分别在9.3，9.4，9.5节中详细阐述。 9.2.2旋转坐标系中的方程 流体的加速度作为一个附加项出现在旋转坐标系运动方程中的动量方程里，这时FLUENT允许将绝对速度或相对速度各自作为独立参数，两种速度之间的关系如下： 其中，指角速度向量（即旋转坐标系的角速度）是旋转坐标系中的位置向量。惯性坐标系中的动量方程左侧如下： 旋转坐标系中的动量方程左侧如下： 根据与的关系代入上式，消去得 　 其中为哥氏力。需要注意的是FLUENT忽略了 项，因此不能用动量方程的相对速度表达式准确的模拟随时间变化的 角速度。 旋转坐标系中的质量守恒方程或者叫连续性方程，不论是使用相对速度，还是使用绝对速度，都可表示如下： 9.2.3单旋转坐标系下网格的建立 当建立问题使用旋转坐标系时必须牢记注意以下约束条件： 2维问题，旋转轴必须平行于Z轴 2维轴对称性问题，旋转轴必须是X轴 3维问题，对于旋转单元体，你应该在头脑中先指定一个旋转轴来建立网格，为了方便通常选取x轴，y轴或z轴做为旋转轴，但是FLUENT能过提供绝对旋转坐标轴． 9.2.4导入网格后的建模步骤 1.选择Solver面板中的Velocity Formulation: 是用绝对速度还是相对速度（细节请看9.2.5节） 2．为计算区域中的单元体设定旋转参考坐标系的角速度和旋转轴． 在Fluid或Solid面板中通过定义旋转坐标轴的原点和方向来确定坐标轴。 在Fluid或Solid面板中的Motion　Type下拉菜单中选择Moving　Reference　Frame项然后设定Rotational　Velocity下的Speed 参数输入的详细情况见6.17.1节和6.18.1节。 3.定义壁面的速度边界条件，速