Fluent旋转机械流场与声场仿真学习笔记
Fluent旋转机械流场与声场仿真学习笔记
本文是一篇关于Fluent软件中旋转机械流场与声场仿真的学习笔记。文章详细介绍了动网格与滑移网格、网格拓扑与共节点设置、模型选择、边界条件设置、时间步长设置、声场仿真FW-H模型设置、流体域设置、增强收敛性设置、壁面函数选择等多个方面的内容。文章内容详尽，包含了具体的参数设置和计算公式，具有较高的专业性和实用性。
1、动网格与滑移网格、运动参考系
动网格算稳态和瞬态（平移，旋转，变形，偏转，例如阀门运动），滑移网格算瞬态（旋转）无须共享节点，运动参考系(SRF(Single-Reference Frame),MRF(Mult-Reference Frame), MPM(Mix-Plane model))算稳态。
当期望获得转子-定子作用时间精确解(而不是时间平均解)时，必须采用滑移网格进行瞬态流场计算。滑移网格是最精确的用于求解多运动参考系问题的模型，然而对计算也是最苛刻的。
很多时候，在滑移网格模拟中寻求的瞬态解是时间周期的。也就是说，周期解随着运动域的速度改变呈现周期性浮动。然而，可以模拟其他瞬态类型，包括瞬态滑移网格区域(例如两车在隧道中的交会)。
注意：当静态部分与运动部分间没有相互作用时(例如仅有转子)，使用旋转参考系更有效率。但是当需要计算转子-定子间的瞬态作用时，则必须采用滑移网格。如果只对相互作用的稳态近似感兴趣，则可以使用多参考下模型或混合面模型。
若需要获得精确结果和流动特征的周期性波动规律，可先用MRF运行稳态仿真获得初步结果，再用滑移网格运行瞬态仿真，且MRF的稳态结果作为瞬态仿真初始条件
。
2、网格拓扑与共节点设置
流固耦合交界面（共轭传热、流致振动）需要共节点设置，
动参考系最好共享拓扑，在两流域两边交界面都添加上边界层，以耦合动静区域的速度，压力，在软件中将交界面设置为内部面。
3、模型选择
由于转子定子相互作用问题不能通过简单的坐标转换而得到解决，所以FLUENT 提供了多重参考系（MRF）模型、混合面模型和滑动网格模型来计算这类问题，举例如图3所示。其中MRF模型是三者中最简单的，它是不同旋转或移动速度的每个单元体的稳态近似。当边界上流动区域几乎是一致时，这种方法比较适宜。使用MRF模型可以为瞬态滑移网格计算提供一个较好的初始条件。在一些转子与定子之间相互作用很强烈时，不能使用MRF模型，此时只能单独使用滑移网格模型。
多参考系模型和混合面模型都假定流动为定常，转子或者推进器的影响可以用近似均值来代替。这种处理方式在转子与定子间的相互影响较弱时可以得到较好的结果。而滑动网格模型，则假定流动是非定常的，因此可以真实地模拟转子与定子间的相互影响，所以在两者相互影响不可忽略的情况下，应当选择滑动网格模型，当然选择该模型需要消耗更多的计算时间。
4、关于旋转壁面（rotor_blade)的边界条件设置
对于动参考系，需要rotor_blade随参考系一起运动，所以需要设置其为移动旋转壁面，旋转方向与旋转参考系方式相同，转速设为0即可。对于滑移网格，整个旋转区域相对绝对空间在转动，因此，对rotor_blade不需设置，保持默认静态即可。
当然，据文献和网上的教程，旋转域内的壁面有些被设置为静止壁面，有些被设置为旋转壁面，对仿真结果影响不大，但是在使用FW-H进行稳态计算旋转流域的噪声信号时，需要将旋转域内的壁面设置为旋转壁面，否则软件不能识别到噪声源表面，因此，应该养成一个良好的设置习惯，以避免出现未知的错误。
5、滑移网格瞬态计算时间步长设置
瞬态计算时间步长Δ t \varDelta tΔt与叶轮转速和叶轮叶片数有关，它的计算公式为以下公式，参考来源点这里。
Δ t = 60 K ⋅ v ⋅ z \varDelta t=\frac{60}{K\cdot v\cdot z}Δt=K⋅v⋅z60
K , v , z K,v,zK,v,z分别为每个时间步长的最大迭代次数，一般取30，转速（rpm)和叶轮叶片数。
此外，有些文献将叶轮旋转1°或2°所需时间设置为时间步长，所以时间步长为：
Δ t = 1 v ∗ 6 \varDelta t=\frac{1}{v*6}Δt=v∗61
6、风机声场仿真FW-H模型设置
在Fluent中使用FW-H声学计算的一般流程包括：
计算得到收敛的流场，对于瞬态问题，首先求解得到收敛的稳态结果，再将其作为初始值运行瞬态计算；
激活FW-H声学模型并设置相关的模型参数；
选择噪声源表面和信号接受位置，选择数据导出格式，选择文件保存的步数；对于稳态问题，指定旋转面为声源面 ；
指定接收器的位置坐标；
初始化并开始计算；
计算并保存声压信号；
对声压信号数据进行后处理
7、风机流体域
7.1 双进风离心风机
半球入口域直接用5-10倍叶轮直径
由于流体存在粘性效应，为了使其充分发展，风机入口域长度和出口域长度分别为5-10倍叶轮直径。
入口区域长度l e l_ele :
对于层流：l e = 0.6 D R e l_e=0.6DR_ele =0.6DRe
对于湍流：l e = 4.4 D R e 1 6 l_e=4.4D\mathrm{Re}^{\frac{1}{6}}le =4.4DRe61
对于非常低的雷诺数流动，l e = 0.6 D l_e=0.6Dle =0.6Dif Re =10，而对于大雷诺数流动，l e = 120 D l_e=120Dle =120Dif Re =2000
对于许多实际工程问题，雷诺数范围为10000-100000，入口区域长度为20 D < l e < 30 D 20D<l_e<30D20D<le <30D。
8、增强收敛性设置
8.1 稳态增强
8.1.1 使用伪瞬态 pseudo transient 设置
8.1.2 控制方程设置
如果收敛性还是不好，可以不一次计算完所有的方程，而只计算部分的方程，等其他方程收敛性较好时，再勾选剩余的方程。
8.1.3 采用Double precision 设置
8.2 瞬态增强
8.2.1 1. 先小时间步长，后大时间步长
8.2.1 2.降低松弛因子
8.2.1 3.先稳态后瞬态
9、壁面函数选择
对于k-e模型和雷诺应力模型，可以选择壁面函数，也可以设置近壁面处理；
对于k-ω模型和Spalart-Allmaras，默认方式就是y+不敏感的近壁面处理方式，不需要进行任何设置。
选择壁面函数时，推荐使用以下设置：
对于基于e方程的模型，直接使用Menter-Lechner(ML- e)或者Enhanced Wall Treatment。尽量不使用壁面函数。
对于e方程模型，如果必须使用壁面函数，那就选择scalable wall functions
对于k-ω模型，使用默认的y+不敏感的壁面处理方式。实际上所有基于ω方程的湍流模型都是如此，不需要进行任何壁面函数设置。
对于Spalart-Allmaras模型，使用默认的y+不敏感的壁面处理方式，也不需要进行任何壁面函数设置。
边界条件设置：压力入口
fluent中的压力入口为全压（gauge total pressure)入口，压力出口为静压(gauge pressure)出口
1 使用质量流量入口时，入口边界的总压会随计算求解而发生变化，这可能会导致收敛变慢。若入口可以选择使用压力入口或质量流量入口，则优先使用压力入口;使用压力出入口算流量，用静压出口或入口边界条件；
2 排除了网格质量、湍流模型、壁面函数，离散化方法等影响，对于前向多翼离心风机，当入口为质量流量入口时计算很难稳定收敛，在湍流模型，壁面函数等选择合适的情况下，可能在某个流量下能收敛。而压力入口边界条件同质量入口边界相比更容易收敛，通过压力入口边界条件来计算风机流量，以此方法做出风机PQ曲线。
3 关于速度入口和质量入口，如果是三维不可压缩，二者无区别，如果是二维的，不推荐用质量入口，因为二维流道实际上就简化成厚为1个单位的方形通道了，再输入质量流量，入口流速就和实际不符了。标准ke模型基于高雷诺数，对强烈旋流、弯曲壁面流动、弯曲流线流动等过程计算常出现失真，所以才有了两个ke模型的派生；RNG计算旋流和弯曲壁面流动常有好的结果；Realizable则在处理旋转均匀剪切流以及带压强梯度的边界层分离流动时有很好的效果。
关于旋转轴的设置
为了避免不必要的错误，流体域的几何中心一定要选在旋转流域的中心，与旋转轴重合。在流体旋转设置中注意选择正确的旋转轴，需要检测旋转力矩时，也是选择正确的力矩的旋转坐标和旋转轴。
大涡模拟仿真
1 开启瞬态
2 在控制台输入: (rpsetvar 'les-2d? #t)
参考
Fluent近壁面处理
Fluent边界｜04 质量流量入口添加链接描述