第09章可动区域中流动问题的建模53945.doc

1、第九章可动区域中流动问题的建模前言首先感谢赵大侠的帮助与支持。本人是fluent的初学者，翻译的过程也是学习的过程，因此译文中有很多不妥之处在所难免，非常欢迎读者更正，并与我交流。本人信箱或。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

2、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

3、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

4、。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

5、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vrv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r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

6、去 得vr v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.

7、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(a) 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。(b) 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，速度可以定义为绝对加速度也可以定义为

8、相对与移动参考系的速度。如果壁面随着旋转参考系运动（因此相对旋转参考系是静止的）这时将其角速度设为零会比较方便。同理，非旋转坐标参考坐标系中的静止壁面在绝对参考坐标系中的速度应设为零。这样设置壁面速度是为了避免在流体计算域的旋转速度发生变化时，修改速度参数。下给定相对速度的的一个例子：如果叶片定义为 wall，叶片半径范围内的流体区域定义为 fluid，这时你要定义 fluid的角速度和旋转轴然后定义 wall的相对速度为零如果以后要模拟一个在另一个角速度下运行的叶片，那么你只需要改变流体区域的角速度，而不需要修改壁面的速度条件参数详细设置请看 6.13.1 节。参数详细设置请看 6.13.1

9、 节。4.定义速度入口（velocity inlets ）的速度和压入口（ pressure inlets ）的流动方向和全压。对于速度进口，既可以定义绝对速度也可以相对于邻近区域的速度。对压力进口的流动方向和全压取相对值还是绝对值，取决于你在第一步中对于速度表达式的选择，详情请看 9.2.5 节（如果使用的是耦合求解规则，参数的描述总是相对于绝对参考系的。参数详细设置请看 6.3.1 和 6.4.1 节。9.2.5 相对速度表达式和绝对速度表达式的选择（译者注：这里的相对速度表达式和绝对速度表达式应该指的是动量方程是用相对速度表示还是用绝对速度表示。欢迎读者指正）绝对速度表达式适用于求解域的

10、流体大部分是静止的（如大空间中的风机） 。相对速度表达式适用于求解域的流体大部分是旋转的。比如混合器中有一个搅拌桨。对于大多数应用，两者都可以。！当使用耦合求解法则时，总是选择绝对速度，对于耦合求解器不能用相对速度。对于速度入口和壁面，不管计算中选择的是相对速度表达式还是绝对速度表达式，你可以任意指定速度为相对的或是绝对的。在旋转参考坐标系中对于压力边界条件有如下限制：在压力入口上的总压和流动方向,假如速度表达式中的速度是绝对的，你应该定义成绝对的。如果速度表达式中的速度是相对的，总压和流动方向应该相对与旋转参考系。压力出口，静压的定义与参考系无关系。当压力出口有逆流时，静压就是总压。在绝对参

11、考系中如果用绝对速度，那么静压就是总压，同样在相对坐标系中如果使用相对速度，认为静压就是总压。对于逆流的流向，如果是绝对速度表达式，那么绝对速度垂直于压力出口，若使用相对速度表达式，则相对速度垂直于压力出口。9.2.6 旋转参考坐标系的求解策略。求解旋转参考坐标系中流动问题遇到的困难与 8.4.5 节中求解旋涡或旋转流动遇到的困难相似，主要是当旋转项的影响很大时动量方程的高度耦合。高速的旋转会产生一个很大的径向压力梯度，从而推动流体向轴向和径向流动，因此在流场中形成旋涡或旋度（rotation）的分布。这种耦合会导致求解过程不稳定，这就需要特殊的求解技巧，如下： （适用于解耦求解器）转换参考系

12、，随相应的参考改变速度表达式，从而求解速度。 （适用于解耦求解器）使用 PRESTO！方案（在 Solution Controls 面板中激活） ，这种方案非常适合于旋转流动中的大压力梯度。 （适用于解耦求解器）减小速度的低松弛因子，将其设为 0.30.5 或更低。 用一个较低旋转速度开始计算，然后逐渐增加，最终获得合理的结果。有关求解参数的变化过程请看第 22 章。通过逐渐增加旋转速度来改善求解的稳定性因为参考坐标系的旋转和边界条件的定义旋转会带给流动复杂的力，随着速度的增加，求解将会变得不稳定。因此，你可以用以比较小的速度开始求解，然后慢慢的增加速度，从而达到要求的水平。步骤如下：1）给边

13、界条件设定一个较小的旋转速度，同时给参考坐标系一个较小的角速度，可以使正常水平的 102）在上述条件下求解。3）保存求解数据4）改变边界条件速度和参考系的角速度，可以将速度提高一倍。5）以前面的求解值作为这一步的初始值进行求解，并保存结果。6）重复 4 和 5 步骤最终达到所希望的操作条件。9.2.7 单旋转参考坐标系的后处理当使用旋转参考坐标系模型求解问题时，你可以对绝对速度或相对速度进行绘图。对于任何速度参数（如 Velocity Magnitude and Mach Number 速率和马赫数） ，相应的相对量都可用（如 Relative Velicity Magnitude and R

14、elative Mach Number 相对速率和相对马赫数） 这些参数都包括在后处理面板中的变量选择下拉菜单中的 Velocity.类中对于总压总温以及任意依赖与相对参考坐标系的具有动力学属性的其他参数，都可以对其相对值进行后处理。当对速度向量进行绘图时，你可以选择在绝对坐标系中画（默认） ，也可以在向量下拉菜单中选择相对速度来画相对于在参考区域的平移旋转速度的相对速度。9.3 多参考系模型（MRF）9.3.1 概述9.1 节提到 FLUENT 提供了以三种关于静止和移动区域并存问题的模型建立办法： 多参考系模型（MRF） 混合平面模型 滑动网格模型MRF 模型是三者中最简单的。它是不同旋转

15、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（均匀混合） ，这个方法比较适宜。显然多参考系模型方法是近似的，在很多时均流的应用场合它提供了合理的模型。例如，转子和定子之间交互作用相对较弱的涡轮机可以使用 MRF 模型。叶轮片交互作用相对较弱，无大范围瞬态影响的混合槽可以使用 MRF 模型。一般来说，由于转子和定子之间交互作用相对较弱的的瞬态问题可选择MRF 模型。另一个 MRF 模型计算流场的潜在用法可以使用瞬态滑动网格模型的初始条件。这就消除了初始计算。然而，在需要精确模拟强烈作用的叶轮片的瞬态模型时，不能使用 MRF 模型。这种情况下应该使用滑动网格模型（参考 9.5 节

16、）。例子在单搅拌桨的混合槽中定义一个包括搅拌桨及其周围流体的旋转参考系和一个搅拌桨区域以外的流体的静止坐标系。外形如图 9.3.1 所示（虚线表示两参考系的界面） 。假定两参考系的界面是稳态流动。也就是对于每个参考系的界面速度必须相同（绝对速度） 。网格没有移动。也可以对多于一个旋转参考系的问题进行模型。图 9.3.2 显示了包括两个并排的搅拌桨的几何体。这个问题应用三个参考系模型：两个搅拌桨区域以外的静止坐标系和建立在两个搅拌桨上的独立的旋转参考系。 （如前，虚线表示参考系之间的界面。 ）约束条件应用 MRF 模型的以下约束条件： MRF 模型不推荐使用 realizable k 模型 分开

17、移动区域和邻近区域的边界必须定向，这样使得参考垂直于边界的速度分量为零。如图 9.3.1 所示例子，这要求虚线的边界是圆周（而不是矩形或其他形状） 。对于平移参考系，移动区域的边界必须平行于平移速度。 严格上讲， MRF 模型的使用只对于稳流有意义，然而， FLUENT 允许使用 MRF 模型解决非稳态流动。这种情况下，在控制输运方程增加了非稳态项（见 22.2.8 节） 。你应该细致考虑这样做是否能对你的问题产生有意义的结论，因为对于非稳态流动，滑动网格计算比 MRF 计算产生更有意义的结论。 FLUENT 画的质点轨迹和路线使用的是相对单元运动的速度。对于无质量质点，基于相对速度的流线的路

18、径是有意义的。然而，对于有质量的质点，显示质点轨迹是无意义的。同样地，耦合离散相计算是无意义的。MRF 模型的质点跟踪和耦合离散相计算的另一替代方法是基于绝对速度而不是相对速度的质点跟踪。作这样改变，用 define/models/dpm/tracking/track-in-absolute-frame 文本命令。注意到其于绝对速度的质点跟踪会得到错误的粒子与壁面的相互作用。对质点入射速度（在 Set Injection Properties 面板设置）的定义要相对于质点跟踪所使用的的参考系。缺省设置的入射速度是相对于局部参考系。如果设置 track-in-absolute-frame 选项，

19、这是入射速度是相对于绝对参考系。 在 MRF 使用相对速度公式也不能精确模拟轴对称涡旋。因为当前的执行没有应用方程 9.3-3 的转换到涡旋速度偏导。 假设平移速度和旋转速度是常数（， t 不随时间变化） 。9.3.2MRF 公式MRF 公式依赖所使用的速度公式相对速度公式在 FLUENT 多参考系特征的执行，计算区域分为子域，每个子域相对于实验（惯性）系的可能是旋转或平移的。每个子域的控制方程是关于子域参考系而写的。因此，静止或平移子域的流动是由 8.2 节的方程控制，而旋转子域的流动是由 9.2.2 节的方程控制。在两子域间的边界，子域的控制方程的扩散项和其他项需要邻近子域的速度值。FLU

20、ENT 强制使用绝对速度 的连续性，向所考虑的子域提供相邻区域v正确的值 （这个方法不同于 9.4 节描述的混合平面方法，它是使用了圆周平均技术。 ）使用相对速度公式，每个子域的速度相对于子域的运动计算。速度和速度梯度从移动参考系如下描述的转换到绝对惯性系。计算区域旋转轴的初始位置的位置向量定义为：（9.31）0xr这里的 是笛卡儿坐标的位置向量， 是计算区域旋转轴的初始位置，如0x图 9.3.3 所示。移动参考系的相对速度可以通过以下方程转换为绝对（静止）参考系的值：（9.3-2）trvv)(这里的速度 是绝对惯性参考系的速度， 是相对非惯性参考系的速度值，vrv是非惯性参考系的平移速度.t

21、v根据定义的相对速度，绝对速度向量的梯度以下式子给予;（9.3-3）)(rvr绝对速度公式使用绝对速度公式时，每个子域的控制方程是关于子域的参考系来建立，但是速度是以绝对速度存储。因此在两子域之间转换。9.3.3MRF 的网格建立有两种网格建立方法。选择合适于你模型的方法，注意 9.3.1 节的约束条件。 如果不同参考系两区域之间的边界是保角角的（例如，网格结点在两区域交界处边界是一样的） ，可以简单如通常一样建立网格，所有的单元区域包括在同一网格文件里。不同单元区域存在不同参考系的模型的每一区域部分。在不同参考系之间的边界使用内部区域。 如果不同参考系两区域之间的边界是非保角的（例如，网格结

22、点在两区域交界处边界是不一样的） ，遵循 5.4.3 节描述的非保角网格建立过程。9.3.4MRF 问题建立当你想对关于 MRF 问题建立模型，需要完成以下模型输入。 （只有特别相关 MRF 问题建立的步骤列在这里。还需要建立通常的剩余步骤。 ）！列在 9.2.3 节的旋转参考系的网格建立约束也适用于 MRF。1.选择 Solver 面板下 Velocity Formulation：Absolute 或 Relative。 （参见9.2.5 节具体细节）（注意到这个步骤是不相关的，假如使用某一耦合运算法则；这些运算法则总是用于绝对速度公式。 ）2.对于区域内每个单元体，确定它的转移速度或角速度

23、（）和旋转轴。（a）如果区域是旋转的，或者你打算确定区域入口成分的圆柱速度或流动方向，你需要定义旋转轴。在 Fluid 面板或 Solid 面板，确定 RotationAxis Origin 和 RotationAxis Direction 。（b）同样在 Fluid 面板或 Solid 面板，在 Motion Type 下拉菜单选择Moving Reference Frame 并且在 Rotation Velocity 设置 Speed 或者在扩展面板Translational Velocity 部分设置 X，Y，Z 分量。这些输入的细节见 6.17.1 节的流体区域和 6.18.1 节的固

24、体区域。3.定义壁面的速度边界条件，速度可以定义为绝对速度也可以定义为相对于步骤定义邻近区域的速度。如果壁面随着旋转参考系运动（因此相对旋转参考系是静止的）这时将其角速度设为零会比较方便。同理，非旋转坐标参考坐标系中的静止壁面在绝对参考坐标系中的速度应设为零。这样设置壁面速度是为了避免在流体计算域的旋转速度发生变化时，修改速度参数。下给定相对速度的的一个例子：如果叶片定义为 wall，叶片半径范围内的流体区域定义为 fluid，这时你要定义 fluid的角速度和旋转轴然后定义 wall的相对速度为零如果以后要模拟一个在另一个角速度下运行的叶片，那么你只需要改变流体区域的角速度，而不需要修改壁面

25、的速度条件参数详细设置请看 6.13.1 节。4.定义速度入口（velocity inlets ）的速度和压入口（ pressure inlets ）的流动方向和全压。对于速度进口，既可以定义绝对速度也可以相对于邻近区域的速度。对压力进口的流动方向和全压取相对值还是绝对值，取决于你在第一步中对于速度表达式的选择，详情请看 9.2.5 节（如果使用的是耦合求解规则，参数的描述总是相对于绝对参考系的。参数详细设置请看 6.3.1 和 6.4.1 节。9.3.6 多相参考系的的后处理当使用多相参考系模型求解问题时，你可以对绝对速度或相对速度进行绘图。对于任何速度参数（如 Velocity Magni

26、tude and Mach Number 速率和马赫数） ，相应的相对量都可用（如 Relative Velicity Magnitude and Relative Mach Number 相对速率和相对马赫数） 这些参数都包括在后处理面板中的变量选择下拉菜单中的 Velocity.类中对于总压总温以及任意依赖与相对参考坐标系的具有动力学属性的其他参数，都可以对其相对值进行后处理。当对速度向量进行绘图时，你可以选择在绝对坐标系中画（默认） ，也可以在向量下拉菜单中选择相对速度来画相对于在参考区域的平移旋转速度的相对速度。9.4 混合平面法9.4.1 概述与其应用的限制混合平面模型是 FLUEN

27、T 提供的除多参考系模型和滑动网格模型的以外的用于模拟流域有中一个或多个区域作相对运动的情况的一种可供选择的方法。概述如 9.3.1 所述，MRF 模型用于以不同速度运动的两个相邻的区域的边界上的流动情况是接近一致的情况。如果流动情况不一致，那么用 MRF 模型求解就没有意义。这时，可以用滑动网格模型，但是在很多情况下，用滑动网格模型也不实际。例如，在多机透平机械中， （ ）而且滑动网格模型以非定常为基础，因此计算量比较大。在滑动网格模型不可行的情况下，用混合平面模型不失为一种有效的解决办法。在混合平面法中，每个流域都看成是稳态的流域之间通过做为边界条件的混合平面上经过空间平均或者说是混合的数

28、据来联系。通过混合就消除了流域通道之间由于周向变化而导致的不稳定（如尾流，激波，分流） ，从而得到稳态解。撇开混合平面模型内在的这种简化，它提供了了时均流场合理的近似。限制应用混合平面模型时要注意以下限制： 混合平面模必须使用绝对速度表达式，不能用相对速度表达式。 混合平面模型不能使用 LES 紊流模型。 混合平面模型中不能与物质的输运和燃烧模型一起使用。 混合平面模型中不能与通用多相模型（VOF， mixture 和 Eulerian） 。9.4.2 混合平面理论转子和定子的范围考虑图 9.4.1，9.4.2 所示的透平机械级。图 9.4.1 画了轴向机械的一个定半径平面，图 9.4.2 画

29、了混流装置的一个定 平面。以上两个图的级间都包含了两个流动区域：转子区域，以一定的角速度旋转，其后是定子区域，是静止的。定子和转子的顺序是任意的（即，转子可以处在定子的下游）在数值模拟中，每个区域都有自己独立的网格。各个区域之间流动的信息通过混合平面模型中的中的混合平面界面来耦合（图 9.4.1 和 9.4.2 所示） ，如果有多个区域，每给区域之间都得通过这种方法来耦合；例如，四个叶片通道可以通过三个混合平面来耦合。！转子和定子的网格不要求是保角的，即定子入口的网格节点不必和转子出口的网格匹配,另外网格的类型也可以不同（例如，定子是流面体网格，而转子是四面体网格）混合平面的概念为了了解混合平

30、面概念，我们必须了解混合平面模型是怎么把流动区域当稳态问题来处理的。在指定的迭代间隔里，混合平面界面的流动数据是定子出口和转子入口边界数据周向平均值。FLUENT 使用面积质量平均，通过做径向和轴向位置的周向平均，描述流体特性的信息就被定义了，这些信息（或者是径向坐标的函数，或者是轴向坐标的函数，具体根据于混合平面的方位来确定。 ）用来更新混合平面界面的边界条件。图 9.4.1 和图 9.4.2 所示的例子中在转子出口处计算全压（p ）局部流动角的径向切向轴向的 cos 值（ ） ， ztr全温（ o）,紊流动能（k） ，紊流发散率（ ）用于更新定子的入口边界条件。同样在定子出口出计算静压（p

31、 s）做为转子出口出的边界条件。通过上述方式传递信息需要在混合平面界面处给出特定的边界条件类型。一对上游出口边界和下游入口边界称为“混合平面对” 。为了建议混合平面对，必须如下定义边界区域的类型：关于建立混合平面详细介绍请看 9.4.3 小节。FLUENT 的混合平面运算规则：更新定子和转子区域的流场求解结果对定子入口和转子出口的边界流体特性求平均，获得用于更新边界条件的信息。将获得的信息传递给定子入口和转子出口的边界条件重复 13 步直到收敛！需要注意为了防止结果的发散可以修改边界条件的低松弛。FLUENT 允许用户控制混合平面的低松弛因子。质量守恒需要注意的是如果混合平面对是由压力入口和压

32、力出口组成，以上的运算法则不保证混合平面上严格的质量守恒，如果是由质流入口和压力出口组成，则 FLUENT 保证混合平面上严格的质量守恒。基本的技术包括计算上游区域（压力出口）然后调整质流入口的质量流量使其余上游的流量符合。每一步迭代都进行这样的调整，以保证整个计算过程中的质量流量严格守恒。！注意：由于质量流量守恒，因此在混合平面处会出现全压的突升，但是这种突升与流场中其他地方压力的变化相比通常通常都是微不足道。旋量（swirl）守恒默认情况下，FLUENT 不保证旋量守恒。但对矩变换器，作用在部件上的转矩之和为零，这时的混合平面上的旋量守恒十分必要，因此在 FLUENT 中做为模型的一项列出

33、。确保旋量的守恒很重要，否则混合平面的切向动量就会产生和下降。考虑一个包含静止或旋转部件（例如，泵的叶片或涡流翼片）使用流体机械的动量矩方程，稳态形式如下：T 是流体作用在部件上的扭矩，r 到旋转轴的径向距离， 是绝对切向速度，v是绝对滞止速度，S 是边界曲面。 （乘积 r 指的是旋量。 ）v v对于周向周期领域，对于定义明确的入口和出口边界方程 9.4.1 变成公式中的入口和出口指的是入口边界曲面和出口边面曲面。现在考虑混合平面具有有限的 streamwise 厚度，把方程应用到这个区域且厚度趋向于零，则扭矩为零，方程变为公式中的 downstream 和 upstream 指的是混合平面界

34、的上游和下游边。注意到方程 9.4应用在整个混合平面界面（360 度） 。9.4.3 混合平面模型问题的建立这一节讲述了建立混合平面模型所需要输入的参数。1.在 SOLVER 面板中选择绝对速度表达式。给定计算区域中的每个单元区域的角动量和旋转轴。（）如果区域是旋转的或打算给定区域入口圆周速度或流动方向，就需要定义旋转轴，在 Fluid 面板或 Solid 面板中，定义旋转轴起点和旋转轴方向（）打开 Fluid 面板或 Solid 面板，在 Motion Type（运动类型）下拉菜单中选择 Moving Reference Frame（移动参考坐标系） ，然后在扩展开来面板中设置旋转速度或（和

35、）平移速度的 X，Y 和 Z 分量详细设置流体区域请看 6.17.1 节，固体区域请看 6.18.1 节！ 混合平面界面两侧的单元区域都要定义旋转轴，包括静止区域。3.定义壁面的速度边界条件，速度可以定义为绝对速度也可以定义为相对于步骤定义邻近区域的速度。如果壁面随着旋转参考系运动（因此相对旋转参考系是静止的）这时将其角速度设为零会比较方便。同理，非旋转坐标参考坐标系中的静止壁面在绝对参考坐标系中的速度应设为零。这样设置壁面速度是为了避免在流体计算域的旋转速度发生变化时，修改速度参数。下给定相对速度的的一个例子：如果叶片定义为 wall，叶片半径范围内的流体区域定义为 fluid，这时你要定义

36、 fluid的角速度和旋转轴然后定义 wall的相对速度为零如果以后要模拟一个在另一个角速度下运行的叶片，那么你只需要改变流体区域的角速度，而不需要修改壁面的速度条件参数详细设置请看 6.13.1 节。4.定义速度入口（velocity inlets ）的速度和压力入口（ pressure inlets ）和质流入口的流动方向和全压。对于速度进口，既可以定义绝对速度也可以相对于邻近区域的速度。对压力入口和质流入口，参数的定义总是绝对的，因为混合平面模型的计算总是使用绝对速度规则对于质流入口，如 6.5.1 所述，不需要给定质流速度，或质量流量当你建立混合平面时 FLUENT 自动选择 Mass

37、 Flux Average Mass Flux 赋值方法参数详细设置请看 6.3.1，6.4.1 节和 6.5.1 小节。！注意混合平面界面的出口边界必须定义为压力出口，入口边界可以定义为速度入口（仅对于不可压缩流体） ，压力入口，质流入口入口与出口边界条件可以根据求解器的要求任意组合。需要记住的是，如果在混合平面处要求质量守恒，那么就需要把下游入口边界设成质流入口。如果设成速度入口或压力入口，那么混合平面处质量就不守恒。在 Mixing plane 面板（图 9.4.3）中定义混合平面（a） 通过在 Upstream Zone 列表中选择一个上游区域，在 Downstream Zone 列表

38、中选择一个下游区域来给出组成混合平面的两个区域。（b） （仅对于维）在 Mixing Plane Geometry（混合平面几何体）下选择其中一个选项来说明混合平面的几何形状。径向几何体意味着混合平面的信息被周向平均到沿径向变化的profiles（特征参数？）中，如 p(r),T(r)。这种情况用在如轴流机械中。轴流几何体意味着周向平均 profiles 在轴向构建，如 p(x)，T(x).这种情况用在径向流机械中！注意：径向指垂直于流动区域旋转轴，轴向指平行于流动区域旋转轴（c） （仅对于维）设置插值点（Interpolation Points）的个数。这是建立边界 profiles 的周向

39、平均所用的径向或轴向位置的个数。应当把这个数字设置成近似等于面网格在径向或轴向的分辨率。虽然你想设置得更多，边界 profiles的分辨率仅仅决定于面网格的分辨率。2 维流动中在整个分界面上平均从而建立有只一个数据点构成的profile。因此对维的问题不用设置 interpolation Point 的个数，也不用选择一Mixing Plane Geometry。 （d）为混合平面设置 Globe Parameter（全局参数）（i）设置 Underrelaxaton（低松弛因子） 。有的时候我们希望混合平面边界上的数值变化松弛一些，在求解迭代的的初期变化得太快会使计算发散。通过把低松驰因子设

40、置成小于一，变化就会松弛下来。新的边界 profiles 值由下式计算：其中 是其松弛因子。一旦建立了流场，就可以增加 的值。 （ii）点击 Apply（确定）设定 Global Parameters（全局参数） 。点击Apply 右侧的 Default 可以把 Global Parameter 恢复到的默认设置。只是Default 就会变成 Reset，点击 Reset 可以恢复把 Global Parameter 恢复到最近一次应用的数值。（e）点击 Creat（创建）建立一个混合平面，Fluent 会连接所选的上游区域和下游区域的名称给新建混合平面命名，并显示在 Mixing Plane

41、 列表中。如果建立了错误的混合平面，那可以在 Mixing Plane 列表中选中它，然后点击 Delete 将其删除。建模选项在使用混合平面模型是有两个可用的选项：固定不可压流的压力水平和旋量守恒。固定不可压流的压力水平对于某些涡轮机械的构造如转矩变换器，在使用混合平面模型没有固定的压力边界。混合平面通常用来模拟连接转矩变换器部件的三个界面。在这种结构中，压力是不固定的。压力的无界波动会导致计算结果很难收敛。为了解决这个问题，Fluent 提供了这个选项。如果这个选项被激活，Fluent 通过在每步迭代之后减去最靠近 Operaing Conditions 面板中设定的 Reference

42、Pressure Location（参考压力点）的单元中的压力值来调整表压力场。！这个选项仅适合于使用解耦求解器的不可压缩流动在 fluent 提示符后输入如下文本命令来激活固定压力选项。混合平面的旋量守恒如 9.4.2 节所述对于像转矩变换器这样的应用旋量守恒是非常重要的。如果你想激活旋量守恒可以使用如下文本命令。使用 enable？文本命令可以打开旋量守恒。一旦这个选项被打开就可以要求求解器在计算过程中报告旋量守恒的信息。如果打开 verbosity?,Fluent 就会详细报告每步迭代中旋量守恒的区域的区域 ID，上游和下游每个区域的旋量积分，以及修正前后上下游旋量积分的比值。9.4.4

43、 混合平面问题的求解策略只要混合平面附近没有明显的回流，混合平面模型可以合理的近似的求解流体问题。如果出现明显的回流，混合平面就不能满意的求解实际的流动。在数值模拟中，即使收敛后没有回流，在迭代的初期也经常会出现回流现象。因此在这些问题中首先在定转子的界面用固定的条件获得临时的解，然后再激活混合平面模型以使计算收敛。对于用混合平面法有些棘手的问题是混合平面边界处的的值变化低松弛一些会有些帮助。在很多情况下把低松驰因子设成小于是有利的。一旦流场建立以后你可以逐渐增大低松驰因子。9.4.5 混合平面的后处理当使用混合平面模型求解问题时，你可以对绝对速度或相对速度进行绘图。对于任何速度参数（如 Ve

44、locity Magnitude and Mach Number 速率和马赫数），相应的相对量都可用（如 Relative Velicity Magnitude and Relative Mach Number 相对速率和相对马赫数） 这些参数都包括在后处理面板中的变量选择下拉菜单中的 Velocity.类中对于总压总温以及任意依赖与相对参考坐标系的具有动力学属性的其他参数，都可以对其相对值进行后处理。当对速度向量进行绘图时，你可以选择在绝对坐标系中画（默认） ，也可以在向量下拉菜单中选择相对速度来画相对于在参考区域的平移旋转速度的相对速度。25.9 节详细讲述了涡轮机械的详细后处理特征。9.

45、5 滑动网格9.5.1 概要当转子和定子的交互作用应用实时解法(而不是时均解法)时，必须用滑动网格模型计算非稳态流场。如 9.1 节所提到，滑动网格模型是模拟多移动参考系流场的最精确方法，也是计算量最大的。滑动网格模拟的非稳态问题大部分是时间周期性的。也就是，非稳态问题移动区域的速度是周期复现的。然而，你也可以模拟另外一些瞬态问题，包括平移的滑动网格区域（例如通过同一隧道的两汽车或火车，如图 9.5.1）注意：在固定和移动部分（比如当只有转子）之间没有交互作用的流体，该计算区域可选择旋转参考系成为固定部分。 （详见 9.2 节） 。当有转子和定子的交互作用（如图 9.5.2 和 9.5.3 的

46、例子）时，必须使用滑动网格。如果有兴趣于稳态近似交互作用问题，可以使用 MRF 模型或混合平面模型，如 9.3 和 9.4节所述。滑动网格技术在滑动网格技术用到两个或更多的单元区域。 （如果在每个区域独立划分网格，则必须在开始计算前合并网格，如 5.3.10 节所述。 ）每个单元区域至少有一个边界的分界面，该分界面区域和另一单元区域相邻。相邻的单元区域的分界面互相联系形成“网格分界面” 。这两个单元区域互相之间相对沿网格分界面移动。！注意：网格分界面必须定位，因为两边均有流体单元。例如，如图 9.5.2的几何体的网格分界面必须位于转子和定子之间的流体区域；而不能在转子或定子边缘的任何部分。在计

47、算过程中，单元区域在离散步骤中沿着网格分界面相互之间滑动（比如旋转或平移） 。图 9.5.4 和 9.5.5 两网格的起始位置和产生一些平移之后的位置。由于旋转或平移的产生，不需要网格分界面的节点队列。由于流动是内在非稳态的，所以需要时间解决程序。网格分界面形状假设两分界面边界基于同样的几何体，网格分界面和相联系的分界面可以是任何形状。图 9.5.6 是线性网格分界面的例子，图 9.5.7 是圆弧网格分界面的例子。 （两图的网格分界面以虚线表示。 ）如把图 9.5.6 伸展为 3D 时网格分界面将是平面矩形，如把图 9.5.7 伸展为3D 时网格分界面将是圆柱体。图 9.5.8 是圆锥形分界面

48、的应用例子。 （斜线表示在 2D 平面上的圆锥形的分界面的交线）对于轴向的转子定子构造，其旋转和静止部分沿轴线成一行，而不是同中心的（见图 9.5.9） ，分界面是平面扇形。该平面扇形是垂直于旋转轴的截断面的区域，旋转轴沿着转子和定子之间的轴线位置。9.5.2 滑动网格原理如 9.5.1 节所论，滑动网格模型允许相邻网格之间相对滑动。因此，网格面不需要在分界面上排列。这种情况下需要方法来计算流进每个网格分界面的两个非一致的分界面区域。为了计算界面流动，在每一新的时间步长确定分界面区域的交界处。作为结果的交界面产生了内部区域（在两边都有流体单元的区域）和一个或多个周期区域。如果不是周期性的问题，

49、那么交界面产生一个内部区域和两个壁面区域（假如两个分界面区域完全交界则没有壁面区域） ，如图 9.5.10 所示。 （壁面需要改变一些适当的边界类型。 ）重叠的分界面区域对应所产生的内部区域；不重叠的区域对应所产生的周期性区域。在这些交界面区域的面的数目随着分界面相对移动而不同。理论上，网格分界面的流量应该根据两分界面的交叉处所产生的面来计算，而不是根据它们各自的分界面的面。在图 9.5.11 的例子里，分界面区域由 A-B 面和 B-C 面以及 D-E 面和 E-F 面组成，交叉处产生 a-d 面、d-b 面和 b-e 面等。在两个单元区域重叠处产生 d-b 面、b-e面和 e-c 面而组成内部区域，剩余的 a-d 和 c-f 面成对形成周期性区域。例如，计算分界面流入单元的流量时，用 d-b 面和 b-e 面代替 D-E 面，并从单元和单元各自传递信息到单元。9.5.3 滑动网格的建立和解法