多參考系
關注創建者：安世亞太 創建時間：2023-11-08
多參考系的視頻教程
#295-ANSYS FLUENT攪拌器仿真手把手零基礎入門進階有聲解說教程
FLUENT中旋轉機械仿真方法主要有：旋轉坐標系模型（Rotating Reference Frame）、多參考坐標系模型（MRF）、混和平面模型（Mixing Plane）、滑移網格模型（Sliding Mesh）和重疊網格模型(overset)。 其中多重參考系法，與滑移網格法設置幾乎相同，兩者相互轉換容易。
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多參考系的實例教程
該項目使用穩態多參考系（MRF）方法和k-ω SST湍流模型模擬了一臺典型的離心水泵。通過SIMPLE算法實現了壓力-速度耦合。MRF區域的旋轉速度為157.08 rad/s（1,500 rpm）。本項目研究了：1）出口葉片角和2）葉片數量對離心水泵性能的影響。使用SimScale對具有三個不同出口葉片角（即13、23和33度）和三個不同葉片數量（即6、8和10片）的葉輪的性能特性曲線以及局部和全局流量變量進行了數值預測。
所考慮的離心泵設計入口直徑為150 mm，出口直徑為151.5 mm，葉輪直徑為340 mm。域是使用SimScale平臺上的“快速十六進制網格”進行網格劃分的幾何體。生成的網格由大約450萬個單元組成，如下圖所示。
1. 出口葉片角變化的影響
出口葉片角 – 13、23和33度
流動參數
1）葉片數量=8
2）k-ω SST湍流模型
3）穩態，不可壓縮流體
4）多參考系（MRF）方法
5）葉輪轉速=1,500 rpm
6）入口體積流量=540 m3/h
7）蝸殼出口面 - 壓力出口（0表壓）
壓力云圖表明，泵進出口最大壓力差208.4 KPa發生在葉片出口角為33度時，最小壓力差116.6 KPa發生在葉片出口角為13度時，且將泵出口設置為定值壓力出口，0表壓邊界條件。
2.
展開 在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區域的一組控制方程，而對于旋轉區域，控制方程包含附加源項。進行模擬，直到從一次迭代到下一次迭代的力和力矩的變化可以忽略不計。根據 CFD 結果計算出揚程和功率項等泵特性，并與經驗結果進行比較。
在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區域的一組控制方程，而對于旋轉區域，控制方程包含附加源項。進行模擬，直到從一次迭代到下一次迭代的力和力矩的變化可以忽略不計。根據 CFD 結果計算出揚程和功率項等泵特性，并與經驗結果進行比較。
而更多采用的是將波動方程和流動方程解耦的聲比擬法和寬頻方法。具體理論方程可參考ANSY。
圖2 ANSYS Fluent中氣動聲學模型
以軸流風機為例，對其氣動噪聲進行仿真。首先進行穩態流場計算，可采用多參考系（MRF），為后面的瞬態計算提供初始流場；其次，可采用滑移網格進行瞬態計算，控制時間步長，且至少得到多個周期的變化方可結束；然后，開啟聲比擬模型，設置sources及receivers，進行聲場仿真，并輸出相關參數變化曲線；最后，通過傅里葉變換（FFT）得到聲壓級頻譜曲線（見圖3）。
圖3 聲壓級頻譜曲線
注意（見圖4）：
網格數需加密，可參考最小聲波長，設定最小的網格尺寸；湍流方程需采用高階方程，如LES、DES等；如有條件，可采用并行加速方法來加快計算速度。
圖4 氣動噪聲仿真的注意點
風機氣動噪聲的優化，可通過流場中靜壓、渦量及湍流動能等參數的大小來進行優化預測，然后通過改善導流罩、葉型以及其它參數結構來降低噪聲。可通過DesignXplorer模塊，實現多目標優化（見圖5）。
圖5 Workbench平臺在DesignXplorer模塊及其多目標優化功能
展開 圖 10MRF設置
圖 11interior邊界條件設置
圖 12interface邊界條件設置
圖 13interface設置
圖 14不考慮重力影響壓力、流線圖
圖 15不考慮重力影響水體積因子分布圖
圖 16考慮重力影響壓力、流線圖
圖 17考慮重力影響水體積因子分布圖
3總結
利用ansa可以很方便的處理旋轉區域的網格，并且可以導出所需要的格式網格文件，fluent里面使用多參考系坐標（MRF）將非穩態問題轉化為穩態問題計算不僅節約了時間也使得問題大大簡化，保證了計算過程的穩定性。
來源：有限元在線 FEAonline
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軟件開展了大量系統性驗證，目前已用于多個實際工程問題的CFD仿真，具有以下優勢：
適用面廣
具備船舶快速性、操縱性、耐波性等船舶 CFD 應用問題的分析與評估能力；
功能完善
具備單相湍流、兩相湍流、慣性系、非慣性系、多參考系、六自由度運動、多計算域耦合、重疊網格、空化模擬、熱傳導模擬、造消波模擬及大規模并行計算等船舶水動力學問題的模擬和評估能力
在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區域的一組控制方程，而對于旋轉區域，控制方程包含附加源項。進行模擬，直到從一次迭代到下一次迭代的力和力矩的變化可以忽略不計。
在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區域的一組控制方程，而對于旋轉區域，控制方程包含附加源項。進行模擬，直到從一次迭代到下一次迭代的力和力矩的變化可以忽略不計。
在FLUENT中，采用了多參考坐標系模型（MRF）來模擬攪拌器的旋轉運動。通過設置動域和靜域，并定義交界面，實現了攪拌器內部流體的動態模擬。同時，采用了標準的k-ε湍流模型來描述流體的湍流特性。仿真結果顯示，雙層三槳葉攪拌器在氣液攪動方面表現出良好的性能。后續可以通過改變結構參數和操作參數對其進行更為細致的數值模擬，以進一步優化其攪拌效果，提高氣液傳質效率。
旋轉機械</p><p><br></p><p class="ql-align-justify">具備多參考系、滑移網格功能，可廣泛應用于旋轉機械類的模擬。
關鍵詞：攪拌；多參考系；扭矩
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1.引言
攪拌設備大量應用于化工、醫藥、食品、采礦、造紙、涂料、冶金、廢水處理等行業中。攪拌設備在許多場合是作為反應器來用的。例如，在三大合成材料（合成橡膠、合成纖維、合成塑料）的生產中，采用攪拌設備作為反應器的，約占反應器總數的85%以上。
從計算域功能來看，軟件支持MRF多參考系來對旋轉機械、部件進行分析；
5. 從邊界條件層面來講，軟件支持壓力、流量、速度等多種載荷類型，支持多種壁面邊界條件以及流體交界面的定義；
6. 從后處理層面來看，軟件可以查看計算的速度、壓力等結果云圖以及跡線圖，也支持查看特定截面的云圖展示，同時支持特定曲線上的流動變量提取等功能。
本案例采用MRF多運動參考坐標系方法模擬動域，該方法為穩態計算，求解時間相對較短。當然也可以用滑移網格（mesh motion），只能瞬態計算，但是，可以模擬實際運動狀態。按下圖設定旋轉域的角速度，FLUENT角速度的方向采用右手定則。本案例設置的旋轉軸為+z，角速度為負值，實際上旋轉軸為-Z，根據右手定則，表示的旋轉方向如圖所示。
該項目使用穩態多參考系（MRF）方法和k-ω SST湍流模型模擬了一臺典型的離心水泵。通過SIMPLE算法實現了壓力-速度耦合。MRF區域的旋轉速度為157.08 rad/s（1,500 rpm）。本項目研究了：1）出口葉片角和2）葉片數量對離心水泵性能的影響。
為此，考慮了旋轉區的附加體積，并應用了多參考系方法（MRF）。
MRF方法是一種簡單且計算要求較少的方法，可以在不旋轉幾何體的情況下分析旋轉元件的行為。它給出了某一時刻瞬態旋轉運動的可靠近似值。在此分析中，旋轉區域的角旋轉速度被設置為350 rad/s。入口輸入為0.004 m3/s的體積流量，該參數可以很容易地更改，以模擬在運行中的不同運行工況。
