多參考系的案例
通過CFD模擬改進離心泵水力設(shè)計
該項目使用穩(wěn)態(tài)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(xiàn)了壓力-速度耦合。MRF區(qū)域的旋轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù)值預(yù)測。
所考慮的離心泵設(shè)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(wǎng)格”進行網(wǎng)格劃分的幾何體。生成的網(wǎng)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(shù)
1）葉片數(shù)量=8
2）k-ω SST湍流模型
3）穩(wěn)態(tài)，不可壓縮流體
4）多參考系（MRF）方法
5）葉輪轉(zhuǎn)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(fā)生在葉片出口角為33度時，最小壓力差116.6 KPa發(fā)生在葉片出口角為13度時，且將泵出口設(shè)置為定值壓力出口，0表壓邊界條件。
2.
展開 OpenFOAM 開放泡沫中離心泵的性能仿真 ￥10
在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區(qū)域的一組控制方程，而對于旋轉(zhuǎn)區(qū)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(jù) CFD 結(jié)果計算出揚程和功率項等泵特性，并與經(jīng)驗結(jié)果進行比較。
OpenFOAM 開放泡沫中離心泵的性能仿真 ￥10
在多參考系 (MRF) 方法中，求解器求解靜止區(qū)域的一組控制方程，而對于旋轉(zhuǎn)區(qū)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(jù) CFD 結(jié)果計算出揚程和功率項等泵特性，并與經(jīng)驗結(jié)果進行比較。
干貨 | ANSYS Fluent氣動噪聲仿真模型解析
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(xué)模型
以軸流風機為例，對其氣動噪聲進行仿真。首先進行穩(wěn)態(tài)流場計算，可采用多參考系（MRF），為后面的瞬態(tài)計算提供初始流場；其次，可采用滑移網(wǎng)格進行瞬態(tài)計算，控制時間步長，且至少得到多個周期的變化方可結(jié)束；然后，開啟聲比擬模型，設(shè)置sources及receivers，進行聲場仿真，并輸出相關(guān)參數(shù)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(wǎng)格數(shù)需加密，可參考最小聲波長，設(shè)定最小的網(wǎng)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(yōu)化，可通過流場中靜壓、渦量及湍流動能等參數(shù)的大小來進行優(yōu)化預(yù)測，然后通過改善導(dǎo)流罩、葉型以及其它參數(shù)結(jié)構(gòu)來降低噪聲。可通過DesignXplorer模塊，實現(xiàn)多目標優(yōu)化（見圖5）。
圖5 Workbench平臺在DesignXplorer模塊及其多目標優(yōu)化功能
展開 
ANSA中旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格處理及fluent中interface設(shè)置
圖 10MRF設(shè)置
圖 11interior邊界條件設(shè)置
圖 12interface邊界條件設(shè)置
圖 13interface設(shè)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(jié)
利用ansa可以很方便的處理旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格，并且可以導(dǎo)出所需要的格式網(wǎng)格文件，fluent里面使用多參考系坐標（MRF）將非穩(wěn)態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題計算不僅節(jié)約了時間也使得問題大大簡化，保證了計算過程的穩(wěn)定性。
來源：有限元在線 FEAonline
離心式壓縮機仿真案例
一、多參坐標系描述
旋轉(zhuǎn)機械問題設(shè)計到旋轉(zhuǎn)的流體域（rotating flow domain），所有的旋轉(zhuǎn)部件（moving parts，fan blades，hub，shaft surfaces...）是以一定的角速度進行旋轉(zhuǎn)的，靜止壁面（stationary walls，shrouds-蓋板，duct walls-風道壁面）是關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)曲面（surfaces of revolution），所涉及到的整體域被作為一個單一旋轉(zhuǎn)參考坐標系（a single rotating frame of reference）；然而當其中一部分是關(guān)于不同旋轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，或關(guān)于相同的軸按照不同的速度旋轉(zhuǎn)或靜止壁面不屬于“surfaces of revolution”（如在離心式壓縮機輪子周圍的蝸殼），單一的旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)（single rotating coordinate system）已不能夠滿足使計算域固定（immobilize），為了預(yù)測穩(wěn)態(tài)的流場，因此必須以“多參考坐標系”（multiple reference frames）的方式進行仿真；
離心式鼓風機（Centrifugal blower）2D模型：
使用MRF模型能夠分析與一個或多個旋轉(zhuǎn)部件相關(guān)的流動特性，在一個單一計算域內(nèi)多旋轉(zhuǎn)參考坐標系能夠被使用，流場結(jié)果代表旋轉(zhuǎn)部件移動到某一位置時的瞬態(tài)結(jié)果（snapshot-抓拍of the transient flow field）；然而在很多案例中交界面能夠以這種方式進行選擇-在該位置的流場是獨立于移動部件的方向的，這就意味著如果交界面能夠被繪制（drawn）以具有很小或者沒有角度依賴性（little or no angular dependence），MRF模型能夠成為可靠的工具用于時均流場的求解（time-averaged flow fields
展開 基于PERA SIM Fluid攪拌器單相流場仿真分析
攪拌器單相流場仿真分析可用于快速評估攪拌器設(shè)計、選型及工藝參數(shù)選取的合理性，為槳葉設(shè)計、選型以及攪拌器的內(nèi)構(gòu)件設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：攪拌；多參考系；扭矩
點擊下方視頻，查看精彩案例演示
1.引言
攪拌設(shè)備大量應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、涂料、冶金、廢水處理等行業(yè)中。攪拌設(shè)備在許多場合是作為反應(yīng)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(chǎn)中，采用攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器的，約占反應(yīng)器總數(shù)的85%以上。但更大量的攪拌設(shè)備并不用于化學(xué)反應(yīng)，而僅用于物料的混合、傳熱、傳質(zhì)以及制備乳液、懸浮液等。
攪拌設(shè)備的主要目的：
(1) 使不相溶液體混合均勻，制備均勻混合液、乳化液，強化傳質(zhì)過程；
(2) 使氣體在液體中充分分散，強化傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)；
(3) 制備均勻懸浮液，促使固體加速溶解、浸取或發(fā)生液－固化學(xué)反應(yīng)；
(4) 強化傳熱，防止局部過熱或過冷。
上述目的都與攪拌設(shè)備內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)聯(lián)。本文基于PERA SIM Fluid仿真分析軟件對物料在雙槳攪拌器內(nèi)的流動特征進行了單相仿真分析。從導(dǎo)入幾何模型開始，到劃分多面體/邊界層網(wǎng)格、添加材料參數(shù)、施加邊界條件，設(shè)置求解算法，進行收斂性調(diào)試，最終得到分析結(jié)果。該結(jié)果可用于快速評估當前攪拌器工藝參數(shù)設(shè)計的合理性，為槳葉設(shè)計、選型以及攪拌器的內(nèi)構(gòu)件設(shè)計提供參考。
2.問題描述
模型介紹
本文研究對象為雙槳攪拌器，忽略攪拌器工作時頂部的液位波動，頂部假設(shè)為平面。
3.CFD模型建立
3.1 模型建立及簡化
直接導(dǎo)入分析的幾何模型（stp或者x_t格式，如圖1所示），包含雙槳、擋板及轉(zhuǎn)動軸等結(jié)構(gòu)。
展開 基于STAR-CCM+風機界面：雙向進氣的多翼離心風機的仿真
前向多翼離心風機作為一種，流量大，風壓大的風機種類，常用于空調(diào)，吸油煙機等家用電器中，本案例使用STAR-CCM+中的多參考系（MRF）模型計算前向多翼離心風機的流場。
1、問題描述
本案例仿真的前向多翼離心風機為雙向進氣，轉(zhuǎn)速為1000rpm，在計算時把進口設(shè)為大氣壓，出口相對壓力設(shè)為0，計算域如圖1所示：
2、幾何與網(wǎng)格
（1）本案例的幾何網(wǎng)格采用從外部導(dǎo)入的方法，啟動STAR-CCM+軟件，點擊file→Import→Import surface mesh，選擇準備好的stl面網(wǎng)格文件，選導(dǎo)入界面，選擇create new region，把單位改為mm，其余默認，點擊ok即可：
（2）右鍵點擊Continua中的mesh1，選擇selectmeshing models，選擇surfaceremesher；
（3）右鍵mesh1→reference values，在base size中中填寫面網(wǎng)格的總體控制尺寸20mm；
（4）勾選region→region 1→dianji→mesh condions→custom surface size，在下面的mesh values→surface sizes中填入dianji面網(wǎng)格的relative targetsize和relative minmum size；對所有的part進行目標尺寸和最小尺寸進行控制。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——雙向進氣的多翼離心風機的仿真
前向多翼離心風機作為一種，流量大，風壓大的風機種類，常用于空調(diào)，吸油煙機等家用電器中，本案例使用STAR-CCM+中的多參考系（MRF）模型計算前向多翼離心風機的流場。
1、問題描述
本案例仿真的前向多翼離心風機為雙向進氣，轉(zhuǎn)速為1000rpm，在計算時把進口設(shè)為大氣壓，出口相對壓力設(shè)為0，計算域如圖1所示：
圖1 風機的計算域
2、幾何與網(wǎng)格
（1）本案例的幾何網(wǎng)格采用從外部導(dǎo)入的方法，啟動STAR-CCM+軟件，點擊file→Import→Import surface mesh，選擇準備好的stl面網(wǎng)格文件，選導(dǎo)入界面，選擇create new region，把單位改為mm，其余默認，點擊ok即可。
（2）右鍵點擊Continua中的mesh1，選擇select meshing models，選擇surface remesher；
（3）右鍵mesh1→reference values，在base size中中填寫面網(wǎng)格的總體控制尺寸20mm；
（4）勾選region→region 1→dianji→mesh condions→custom surface size，在下面的mesh values→surface sizes中填入dianji面網(wǎng)格的relative target size和relative minmum size；對所有的part進行目標尺寸和最小尺寸進行控制。
展開 FLUENT精典案例#337#295#134-攪拌器仿真ICEM網(wǎng)格版
仿真基本方案：瞬態(tài)計算，VOF兩相流，MRF多重參考系法，并對SG滑移網(wǎng)格法的設(shè)置形式作了簡單介紹。
可贈送本例ICEM非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的視頻，共約8分鐘；追加有內(nèi)容好評可贈送添加顆粒視頻（純屬顆粒相演示，未參考實際工況）及CFD-POST處理簡易視頻，共約11分鐘。
淺談對FLUENT的認識
fluent中有幾種處理旋轉(zhuǎn)機械流動問題的模型，分別為旋轉(zhuǎn)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(wǎng)格模型(Sliding Mesh)。其中，旋轉(zhuǎn)坐標系模型僅適用于不考慮定子影響的流場，其思想就是在視轉(zhuǎn)子為靜止的旋轉(zhuǎn)坐標系里進行定常計算，計算中考慮慣性力的影響；多參考坐標系模型(MRF)就是在前一模型的基礎(chǔ)上考慮了定子對流場的影響，將流場按不同旋轉(zhuǎn)速度劃分成幾個流動區(qū)域，每個區(qū)域里用旋轉(zhuǎn)坐標系進行定常計算，在這些流動區(qū)域的交界面上強制流動速度的連續(xù)；混和平面模型是另一種用定常方法計算定子與轉(zhuǎn)子相互影響下的流場的模型，它在不同流動區(qū)域之間的交界面上進行了一定的周向平均，消除了流動本身的非定常性，這種模型要優(yōu)于MRF模型；滑移網(wǎng)格模型是采用滑移網(wǎng)格技術(shù)來進行流場的非定常計算的模型，用它計算的流場最接近于實際的流動，但這種模型需要耗費巨大的機器資源和時間。
關(guān)于對商用CFD軟件的看法，我比較贊同zzbb的看法，我們可以利用它里面成熟的計算方法，附加上自己提出的一些模型，這樣研究問題，可以省很多的精力和時間，對于CFD的發(fā)展也是很有好處的?，F(xiàn)在的商用軟件提供的接口比較少，軟件封裝的比較死，這樣不利于做科學(xué)研究，如果可以像linux的發(fā)展模式那樣發(fā)展CFD，大家公開成熟的CFD代碼，然后可以通過自由的研究，添加新的功能，相信CFD發(fā)展的會更快，不過如果這樣，那商用CFD軟件就不好賺錢了
至于商用軟件開發(fā)源代碼的問題，實在是不大可能。由于CFD應(yīng)用很多領(lǐng)域，特別是還與核、航空、汽車等一些非常重要的工程領(lǐng)域相關(guān)，一般來說都屬于高科技技術(shù)，鬼子是不會輕易公開的。比如phoenics早在80年代初就開發(fā)完成并應(yīng)用于工程，但是當時西方就是對共產(chǎn)黨國家封閉，禁運，直到1991年（1993？）
展開 
CFD仿真：離心泵設(shè)計中的效率優(yōu)化
為此，考慮了旋轉(zhuǎn)區(qū)的附加體積，并應(yīng)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(zhuǎn)幾何體的情況下分析旋轉(zhuǎn)元件的行為。它給出了某一時刻瞬態(tài)旋轉(zhuǎn)運動的可靠近似值。在此分析中，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的角旋轉(zhuǎn)速度被設(shè)置為350 rad/s。入口輸入為0.004 m3/s的體積流量，該參數(shù)可以很容易地更改，以模擬在運行中的不同運行工況。出口面的壓力設(shè)置為0 Pa，可以與入口面一起監(jiān)測，以獲得平均和積分結(jié)果。
結(jié)果
該CFD分析的結(jié)果揭示了許多設(shè)計優(yōu)化的機會。特別是，速度和壓力的某些變化表明了能量損失的區(qū)域。該分析的流速模式顯示了能量損失的幾個關(guān)鍵區(qū)域 - 水流經(jīng)過蝸舌后的流速明顯減小，在葉輪吸入孔周圍發(fā)生了流動再循環(huán)（入口回流）。這種再循環(huán)的流體對泵的性能沒有貢獻，因此應(yīng)該進行調(diào)整以恢復(fù)這種損失的能量，例如改變蓋板的幾何形狀。
圖4：CFD結(jié)果顯示了葉輪（葉片）尖端處存在高壓和葉輪吸入孔周圍的低壓區(qū)域
當流體進入泵的螺旋蝸殼時，它被轉(zhuǎn)化為壓力能。在理想的設(shè)計中，該區(qū)域的壓力增加應(yīng)該是平穩(wěn)和漸進的。然而，在這種設(shè)計的初始運行中，在螺旋蝸殼的開始處速度會突然下降。這肯定會對泵的效率產(chǎn)生負面影響，因此應(yīng)進行審查。
圖5：顆粒軌跡顯示了流體進入離心泵葉輪時產(chǎn)生的渦流
仔細觀察粒子軌跡模擬，可以在泵的入口處看到流動渦流，這是一種消耗能量而不增加功率輸出的常見現(xiàn)象。在這種情況下，葉輪的旋轉(zhuǎn)會在入口處產(chǎn)生渦旋。
展開 淺談對FLUENT的認識
fluent中有幾種處理旋轉(zhuǎn)機械流動問題的模型，分別為旋轉(zhuǎn)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(wǎng)格模型(Sliding Mesh)。其中，旋轉(zhuǎn)坐標系模型僅適用于不考慮定子影響的流場，其思想就是在視轉(zhuǎn)子為靜止的旋轉(zhuǎn)坐標系里進行定常計算，計算中考慮慣性力的影響；多參考坐標系模型(MRF)就是在前一模型的基礎(chǔ)上考慮了定子對流場的影響，將流場按不同旋轉(zhuǎn)速度劃分成幾個流動區(qū)域，每個區(qū)域里用旋轉(zhuǎn)坐標系進行定常計算，在這些流動區(qū)域的交界面上強制流動速度的連續(xù)；混和平面模型是另一種用定常方法計算定子與轉(zhuǎn)子相互影響下的流場的模型，它在不同流動區(qū)域之間的交界面上進行了一定的周向平均，消除了流動本身的非定常性，這種模型要優(yōu)于MRF模型；滑移網(wǎng)格模型是采用滑移網(wǎng)格技術(shù)來進行流場的非定常計算的模型，用它計算的流場最接近于實際的流動，但這種模型需要耗費巨大的機器資源和時間。
關(guān)于對商用CFD軟件的看法，我比較贊同zzbb的看法，我們可以利用它里面成熟的計算方法，附加上自己提出的一些模型，這樣研究問題，可以省很多的精力和時間，對于CFD的發(fā)展也是很有好處的?，F(xiàn)在的商用軟件提供的接口比較少，軟件封裝的比較死，這樣不利于做科學(xué)研究，如果可以像linux的發(fā)展模式那樣發(fā)展CFD，大家公開成熟的CFD代碼，然后可以通過自由的研究，添加新的功能，相信CFD發(fā)展的會更快，不過如果這樣，那商用CFD軟件就不好賺錢了
至于商用軟件開發(fā)源代碼的問題，實在是不大可能。由于CFD應(yīng)用很多領(lǐng)域，特別是還與核、航空、汽車等一些非常重要的工程領(lǐng)域相關(guān)，一般來說都屬于高科技技術(shù)，鬼子是不會輕易公開的。比如phoenics早在80年代初就開發(fā)完成并應(yīng)用于工程，但是當時西方就是對共產(chǎn)黨國家封閉，禁運，直到1991年（1993？）
展開 SimForge? 動態(tài)｜告別算力困局，實現(xiàn)云端圖形交互！國產(chǎn)CFD軟件——MarineFlow正式上線
軟件開展了大量系統(tǒng)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(yōu)勢：
適用面廣
具備船舶快速性、操縱性、耐波性等船舶 CFD 應(yīng)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(wǎng)格、空化模擬、熱傳導(dǎo)模擬、造消波模擬及大規(guī)模并行計算等船舶水動力學(xué)問題的模擬和評估能力；
優(yōu)秀的網(wǎng)格兼容性
支持任意多面體網(wǎng)格，包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、笛卡爾網(wǎng)格、混合網(wǎng)格等各類網(wǎng)格；
豐富的前后處理軟件接口
前處理支持 Fluent（cas/msh）格式、CGNS 中性格式，后處理支持 Tecplot 格式、enSimworks 格式和風雷后處理格式；
大量系統(tǒng)性的驗證
通過標模 CFD 不確定度分析、ITTC 國際盲算比對、并利用研發(fā)單位豐富的試驗數(shù)據(jù)進行大子樣應(yīng)用驗證，開展了系統(tǒng)性的驗證。
02 SimForge? 的云端賦能：圖形交互 上云推廣
為構(gòu)建與單機版功能一致的完整仿真體驗，神工坊?為MarineFlow構(gòu)建了功能完備的獨立Web端仿真環(huán)境，并在SimForge?云端環(huán)境中實現(xiàn)軟件操作、求解器與海量計算資源的深度集成，為用戶帶來以下核心優(yōu)勢——
一套界面，多端兼容
Windows、Linux、國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)皆可運行MarineFlow，統(tǒng)一圖形界面，用戶可輕松上手、無縫切換。
彈性算力，按需調(diào)度
突破本地資源限制。
展開 來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應(yīng)用
仿真求解能力：FLUENT具有豐富湍流模型適合各類工業(yè)湍流，具有多參考系物理模型處理類似電機風扇這類帶旋轉(zhuǎn)計算域模型，并且Interface插值功能可以高效處理混合網(wǎng)格劃分帶來的交界面數(shù)值誤差，在Interface插值過程中，還能自動生成接觸熱阻，該功能可回避薄壁模型的創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分。
后處理能力：模型的顏色渲染及透明渲染功能強大，多工況的同步對比功能可以方便同步對比設(shè)計方案及提高后處理效率，針對速度、壓力場隨剖面位置動畫制作可以大大提高后處理的流場顯示效率，并且后處理模塊還能自動出仿真計算報告。
關(guān)于Ansys CFD
計算流體動力學(xué) (CFD) 是一款操作靈活、結(jié)果精確、應(yīng)用廣泛的仿真工具。Ansys CFD 不僅能提供定性結(jié)果，還可就流體的相互作用和平衡做出準確的定量預(yù)測，讓新手和專家用戶都能運行出色的 CFD 仿真。全新基于任務(wù)的工作流程有助于用戶開展更多的工作：只需進行簡單的學(xué)習(xí)便可在較短時間內(nèi)準確地解決復(fù)雜問題。
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