在工程实际中,动坐标系及动网格方法是很难绕开的重要概念和方法,例如液压阀的开启过程中的阀芯振动、开启过程的压力分布,液动力变化等。本文中对Fluent的动坐标系及动网格方法要点进行总结,引入个人在练习案例过程中的理解和思考,对官方文档有参考,但没有简单照搬,后续再通过实际案例进行对比、分析。为了应对非惯性坐标系下的流动问题,Fluent软件提供了动坐标系方法及动网格模型:SRF、MRF、MPM、SM、DM等几种。其中,SRF、MRF、MPM为基于动坐标系的稳态计算方法,而SM和DM则属于网格发生运动的瞬态模型。(1)SRFSRF即单参考系模型,在惯性N-S方程上附加一个旋转角速度项,从而计算出压力和速度分布,将瞬态计算问题转化为稳态计算。对于通常的应用,SRF方法相当于在搅拌叶片的旋转中心固结一个旋转坐标系。在惯性参考系下,流体单元是时变运动,而相对于附加的坐标系而言,流体单元保持静止。SRF方法最显著的特征是假定计算域内各单元具有相同的角速度。如果所研究问题不满足该条件,则须采用其他方法或模型进行计算。图1SRF方法1图1中,叶片尺寸较大,可以认为整个区域的流体均以相同的转速流动,可以采用SRF方法求解流体运动。图2SRF方法2而对于图2的情形,叶片尺寸较小,只有叶片直径范围内的流体具有角速度转动,而叶片范围之外流体大致呈线性分布,在壁面角速度降低为0,不满足SRF的假设。(2)MRF方法MRF即多参考系模型,属于SRF方法的延伸和扩展,这种方法允许多个计算域或者CellZone存在,对每一个独立的旋转运动区域,均引入一个对应的旋转坐标系,从而大大扩展了应用范围。对于每一个独立的坐标系(Referenceframe),MRF采用与SRF相同的稳态求解方法。由于多区域的存在,MRF方法需要对不同区域的物理量进行传递,保证整体流场是单值、协调、符合物理现实的。MRF方法中,在区域边界强制保证速度矢量的切向和法向数值相等,而对于压力、温度等标量则直接进行传递。由于多计算区域的缘故,应用MRF的计算域通常是非一致网格(non-conformal),也即区域界面存在Interface,用于处理网格的连通性。但是,MRF并不要求网格中必须存在Interface,只要能够区分不同的动、静区域(Cellzone),便于在软件中设置不同的角速度即可。图3MRF方法对于图3的流动问题,将计算域划分成旋转区域和静止区域两部分,则可以应用MRF方法进行流场解算。动区域内部,所有流体单元具有相同的角速度,而对于静止区域而言,壁面满足无滑移条件,角速度为0,其他部分沿半径方向线性减小。(3)MPM方法MPM为混合面模型,计算域由多个动、静区域组成,例如轴流式涡轮机械的前、后级流动计算。MPM方法的特殊之处在于,不同动、静区域均设置有入口和出口边界条件,对于互相重叠的区域边界,利用混合面(mixing)工具进行组合。各个区域独立进行计算,在混合面取平均值,分别作为前级的出口边界,而作为后级的入口边界。通过引入混合面,MPM方法可以在一定程度上反映前、后级的相互作用关系,这是优于MRF方法之处。(4)SM方法SM即滑移网格方法,是一种网格区域发生运动(旋转或平移)的瞬态计算方法。SM方法的计算域同样有不同的动、静区域组成,由于动区域相对于静区域存在运动,因此网格必须是非一致网格形式,通过Interface来完成物理量的传递。SM方法中,动区域发生真实运动,直接在惯性坐标系下进行瞬态求解,因而不设置动坐标系(Movingreference),而是通过动网格(Movingmesh)进行设置。SM方法通过考虑不同动、静区域的相对运动,能够比较贴切的反映区域相互作用,得到流场的瞬态解,而不是得到排除了时间信息的平均解(SRF、MRF、MPM)。因此,在
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