作者：段老師

大連理工海洋工程博士 ，主要做多相流體動力學和波物耦合響應相關研究。

   

   

一、基于Star-ccm+的旋轉水輪機數值模擬

導讀：STAR-CCM+是一款當前比較流行的計算流體力學軟件，該軟件在旋轉機械領域具有很大的應用場景，本文基于STAR-CCM+軟件中的運動參考系的方法來實現旋轉水輪機的數值模擬，過程涉及變參考系旋轉實現方法，基于VOF方法的水力空化模擬方法以及相關后處理方法等。

1.計算模型介紹    

本文選用的模型為官方教程的旋轉水輪風扇模型，模型主要由兩部分組成，分別為實現旋轉的旋轉區域以及非旋轉的靜止區域，其中靜止區域設置有入口以及出口，液體從模型上方的入口流入，經水輪葉片的帶動后，液體從出口流出。水輪葉片圍繞旋轉軸進行轉動，其中水輪葉片共12片。

2.區域分配與網格劃分

計算過程中將水輪模型分為了旋轉區域與靜止區域，旋轉區域與靜止區域之間利用內部交界面進行流場求解信息交互，創建交界面方式為同時選中靜止區域以及旋轉區域中的交互邊界，右擊選擇創建界面。網格劃分采用外部網格劃分，劃分完成的網格通過導入體網格選項導入STAR-CCM+，劃分網格時需要保證交界面網格網格尺寸相差不大，旋轉區域網格與靜止區域網格可以完成數據映射交互。

圖5網格劃分

3.空化求解設置與物理模型選擇    

本文空化涉及兩相介質，分別為水相與水蒸氣相，在進行空化設置之前需要選用歐拉多相流模型并新建兩相介質并設置各自物理屬性，完成兩相新建后創建多相互作用模型，具體模型選擇VOF-VOF相間相互作用-多相材料模型，指定水相為主相，水蒸氣相為次相，完成主次相設置后選擇Schnerr-Sauer空化模型，完成空化設置。本文求解選用k-e湍流模型，具體模型選擇見圖6。

圖6空化設置以及物理模型選擇

4.旋轉指定    

本文旋轉實現方式選擇移動參考系方法，為旋轉區域創建移動參考系，利用工具-參考系節點中創建和管理參考系，創建好參考系后，將其應用于旋轉區域。其中旋轉參數在工具-參考坐標系-屬性中進行設置，軸方向即旋轉軸方向，軸原點取軸線上的任意點，旋轉速率指定定值，也可以利用場函數的功能指定為變旋轉速率。

圖7旋轉參考系指定

5.邊界條件設置    

旋轉機械中將入口設置為速度入口，將出口設置為壓力出口，其它均為壁面，其中通過速度入口指定入口流速，設定流入液體流量，通過壓力出口流出液體，一般壓力設定為環境壓力。STAR-CCM+對所有壁面邊界的默認旋轉設置適用于它們相對于網格保持靜止的情況，即靜止區域的壁面邊界都默認設置是零旋轉，而旋轉區域的壁面邊界默認設置是2000 rpm旋轉。因此每個區域中都有一個壁面邊界不適用原設置：流體靜止區域中的軸邊界，該邊界旋轉，因為它是帶動葉片旋轉的軸的一部分，所以將其切向速度指定為旋轉速率，并將壁面相對旋轉設定為與旋轉運動一致的旋轉速率；旋轉區域中的壁面邊界：該邊界靜止不動，因為壁面是外殼體的一部分，所以將其切向速度指定為固定。

圖8邊界條件設置

6.后處理效果    

旋轉機械處理效果中，流場速度矢量與流場流線均為有效的流場表征方法，其分別通過STAR-CCM+場景節點中的矢量場景以及流場場景進行設定，其中流線場景設定需要提前在衍生零部件中創建流線衍生零部件。