MRF模型的案例
離心式壓縮機仿真案例
）；
二、多參坐標系（MRF模型）理論摘要
1、Overview；
MRF模型為穩(wěn)態(tài)近似的方法，能夠在獨立的計算域內(nèi)賦予不同的旋轉(zhuǎn)或平移速度，在移動計算域內(nèi)使用移動參考坐標系方程進行求解（moving reference frame equations），靜止域（ω=0），方程簡化成靜止形式，動靜交界面位置，一個本地參考坐標系轉(zhuǎn)換被應用（local reference frame transformation）使在一個區(qū)域內(nèi)的流體變量被使用計算在其相鄰區(qū)域邊界位置上流率；
注，MRF方法不能夠考慮移動區(qū)域?qū)τ谙噜弲^(qū)域（可能是移動或靜止）的相對運動，計算網(wǎng)格保持恒定不變，這是一種類似于在某一位置凍結(jié)（analogous to freezing）運動部件運動，并觀察轉(zhuǎn)子在某一位置的瞬態(tài)連續(xù)流場，因此MRF通常被成為是凍結(jié)轉(zhuǎn)子方法“frozen rotor approach”；
2、MRF Interface Formulation；
MRF形式被應用在交界面處將取決于使用的速度形式，交界面處需應用速度和速度梯度值（交界面處兩側(cè)絕對速度相等），速度矢量方程應隨著參考坐標系的改變而改變，標量方程如溫度、壓力、密度、湍動能等不需要特殊的處理（本地傳輸過程沒有任何改變）；
Fluent應用MRF模型，計算域被分成了多個子域（subdomains），相對于慣性坐標（stationary/inertial frame）子域可能是移動或旋轉(zhuǎn)的，子域守恒方程寫成關(guān)于子域參考坐標的形式；
注，動靜交界面邊界設置：選中靜域和動域間的所有“interface”（共節(jié)點形式），進行自動“mesh interface”創(chuàng)建（自動配對、命名并創(chuàng)建成“interior zones”）；
3、移動參考坐標系方程；
考慮坐標系統(tǒng)以線性速度vt進行平移并以角速度
展開 旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)流動。。
物質(zhì)屬性
計算物質(zhì)設置密度等參數(shù)
湍流模型
選擇為層流
MRF模型
激活MRF模型，設置計算域的旋轉(zhuǎn)速度
邊界條件
設置壁面的旋轉(zhuǎn)速度
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
計算結(jié)果
計算域云圖展示
速度云圖
計算值與實驗值對比
對比x=0.6m處，徑向速度值對比
對比x=0.6m處，周向速度值對比
參考文獻
J.A. Michelsen. “Modeling of Laminar Incompressible Rotating Fluid Flow”. AFM
86-05., Ph.D. thesis. Department of Fluid Mechanics, Technical University of
Denmark. 1986.
展開 鐵水包KR攪拌脫硫仿真
一、建立幾何模型
上面三個圖形分別為：鐵水包（鐵水容器）內(nèi)腔流域幾何模型，攪拌槳幾何模型，組合（鐵水包內(nèi)腔減去攪拌槳）模型。
二、多重參考系模型
我們采用MRF模型來處理攪拌槳的轉(zhuǎn)動，MRF（Multiple Reference
Frame）模型是一種定常計算模型，模型中假定網(wǎng)格單元做勻速運動，這種方法適用于網(wǎng)格區(qū)域邊界上各點的相對運動基本相同的問題。大多數(shù)時均流動都可以用MRF
模型進行計算，特別是運動網(wǎng)格區(qū)域與靜止網(wǎng)格區(qū)域間的相互作用比較微弱時可以使用MRF
模型進行計算，例如攪拌器內(nèi)流場計算、泵和風機內(nèi)流場計算等等。MRF 模型的另一個用途是用來為滑動網(wǎng)格模型計算提供初始流場，即先用MRF
模型粗略算出初始流場，再用滑動網(wǎng)格模型完成整個計算。我們將整個計算域分割成2個域，外圍的靜態(tài)域，以及包裹攪拌槳槳葉的旋轉(zhuǎn)域（嚴格來說，旋轉(zhuǎn)需要包裹整個攪拌槳葉，為了節(jié)省計算資源，本次計算采用簡化方法），兩個域的交界面完全重合。
三、網(wǎng)格劃分
針對2個區(qū)域分別劃分六面體網(wǎng)格，并組合網(wǎng)格
四、關(guān)鍵數(shù)學模型
1、湍流模型選擇k-Epsilon模型，近壁區(qū)湍流粘度計算采用Scalable wall function計算
2、多相流模型采用VOF模型，忽略表面張力對界面影響
五、計算結(jié)果
上面左圖流場矢量圖，箭頭方向代表流動方向，箭頭顏色代表流速大小，右圖為流速分布圖
上面左圖為鐵水體積分布圖，右圖中曲面為鐵水自由表面，顏色代表自由表面的流速分布
上面左圖為鐵水包壁壁面剪切力分布，右圖為攪拌槳葉壁面剪切力分布。
展開 應用MRF模型模擬三葉片風機 ￥4.9
概述
空氣動力學相關(guān)概念
攻角
升力系數(shù)
阻力系數(shù)
翼型雷諾數(shù)
安裝角
葉尖速比
幾何結(jié)構(gòu)
風輪
葉片
翼型
物理模型
三葉片風力發(fā)電機
翼型NACA4412 等
網(wǎng)格模型
根據(jù)翼型劃分二維網(wǎng)格
葉片移動旋轉(zhuǎn)復制為3個
仿真模型
邊界條件
inlet
velocity inlet
outlet
Pressure-outlet
wall-1
wall-2
求解過程
單葉片數(shù)值模擬
垂直軸風力機模擬
Fluid-1 motion type Moveing Reference Frame
Fin Momentum wall motion --moving wall
定義交界面
結(jié)果對比
氣動特性 等
展開 
沖擊波影響：對于亞音速/超音速流動，沖擊波沖擊下游扇葉引起的不穩(wěn)定性
MRF和MPM都忽略了這些相互作用，因此只限于用在這些交互作用很弱的流動問題上。
而Slide Mesh模型對這些交互作用的預測比較準確。
III. FLUENT處理旋轉(zhuǎn)動力機械問題的4種模式：
1. SRF (Single Rotating Frame)：整個流場都以同一旋轉(zhuǎn)參考系為參考（最簡單的模式，不再贅述）
2. MRF(Multiple Rotating Frame)：有一個以上的參考系，忽略流域之間的相互影響。在流動穿過轉(zhuǎn)動區(qū)域（流進然后又流出轉(zhuǎn)動區(qū)域的外邊界）的地方可能得出誤導性的結(jié)果。
3. MPM (Mixing Plane)：對于有多組扇葉而且相鄰兩組扇葉的扇葉數(shù)量不一樣的旋轉(zhuǎn)動力機械，不能用MRF模型建立周期性流場，此時可用Mixing Plane模式建立周期性流場。
4.SMM (Slide Mesh) : Slide Mesh模型考慮了所有流域間相對運動引起的交互影響，可以得到比較精確的結(jié)果。但只能用于瞬態(tài)計算，耗費計算資源較大。
Ⅳ. MPM (Mixing Plane)模型
1. 為什么要用MPM模型？
渦輪機械，不管是軸向式還是離心式，通常包括1個或多個stage，每個stage由定子葉片組和轉(zhuǎn)子葉片組組成。并且相鄰葉片組的葉片數(shù)量也是不相同的。每組葉片的periodic angle不同的時候，無法用MRF模型建立周期性流場。這種情況可以用Mixing Plane模型來簡化計算。
無論葉片組上有多少的葉片， Mixing Plane模型中每個葉片組只需要一個葉片來代表。
轉(zhuǎn)速不同的流域之間用一對interface面相接。
展開 MPM (Mixing Plane)：對于有多組扇葉而且相鄰兩組扇葉的扇葉數(shù)量不一樣的旋轉(zhuǎn)動力機械，不能用MRF模型建立周期性流場，此時可用Mixing Plane模式建立周期性流場。
4.SMM (Slide Mesh) : Slide Mesh模型考慮了所有流域間相對運動引起的交互影響，可以得到比較精確的結(jié)果。但只能用于瞬態(tài)計算，耗費計算資源較大。
Ⅳ. MPM (Mixing Plane)模型
1. 為什么要用MPM模型？
渦輪機械，不管是軸向式還是離心式，通常包括1個或多個stage，每個stage由定子葉片組和轉(zhuǎn)子葉片組組成。并且相鄰葉片組的葉片數(shù)量也是不相同的。每組葉片的periodic angle不同的時候，無法用MRF模型建立周期性流場。這種情況可以用Mixing Plane模型來簡化計算。
無論葉片組上有多少的葉片， Mixing Plane模型中每個葉片組只需要一個葉片來代表。
轉(zhuǎn)速不同的流域之間用一對interface面相接。在interface面上，F(xiàn)LUENT計算出上游出口的流動情況的平均profile，這個平均profile被當作邊界條件傳遞給相鄰的下游入口。
2. MPM模型的優(yōu)點：
a. 可用于穩(wěn)態(tài)計算，節(jié)省時間。
b. 每組葉片只用一個葉片來代表，網(wǎng)格數(shù)量少，節(jié)省計算資源。
c. 葉片組之間的交互影響的處理比MRF中更令人滿意。
3. MPM模型的局限性：
a. 忽略了尾跡效應(wake effect)和沖擊波(shock wave)
b.
展開 技術(shù)分享︱多重參考系模型在風扇通風仿真中的自動化實現(xiàn)：精度與效率的工程平衡
該平臺將底層復雜的網(wǎng)格拓撲與物理模型封裝，實現(xiàn)了從參數(shù)輸入到結(jié)果輸出的全自動化。在構(gòu)建該平臺的核心求解邏輯時<strong style="color: rgb(5, 76, 143);">，如何在“計算精度”與“求解效率”之間取得最佳平衡，是算法選型的關(guān)鍵。</strong></p><h2><strong>01 MRF模型選型論證</strong></h2><p><br></p><p class="ql-align-center"><img referrerpolicy="no-referrer" crossorigin="anonymous" data-referrer-policy-set="true" src="https://bexp.135editor.com/files/users/1466/14660444/202603/UbtJVPD4_rSDp.png?auth_key=1774799999-0-0-cd746299a9209466dfca1ab7e1f2abe2" alt="圖片1.png" width="582"></p><p class="ql-align-center">多重參考系模型應用示例</p><p><br></p><p> 在處理包含旋轉(zhuǎn)機械的計算流體力學問題時，<strong style="color: rgb(5, 76, 143);">靜止域與旋轉(zhuǎn)域動靜干涉邊界的處理</strong>是求解的核心難點。當前工業(yè)界針對該類問題的主流處理模型主要分為兩類：瞬態(tài)滑移網(wǎng)格模型（Sliding Mesh Model, SMM）與穩(wěn)態(tài)多重參考系模型（Multiple Reference Frame, MRF）。
展開 【多相流】時間格式和收斂性（4）
對網(wǎng)格較差的模型或存在較大的體力時，可能會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。
如果你使用MRF模型進行穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)分析，并且遇到了收斂問題，你可以切換到非穩(wěn)態(tài)求解器嘗試收斂到穩(wěn)態(tài)解。
當在MRF模型中使用NITA時，應該注意到NITA的魯棒性問題,由于較差的網(wǎng)格質(zhì)量或在MRF邊界處的動量方程有較大的源項。迭代時間推進(ITA)對于MRF模擬更可用，因為它可以讓你更好地控制每個時間步長的迭代次數(shù)。
此外，F(xiàn)luent提供了一個完整的多相耦合求解器，其中速度、壓力校正和體積分數(shù)校正是同時求解，但目前魯棒性不是太好。
此外，F(xiàn)luent還可以在歐拉多相流公式中求解分層不混相流體。這個特性類似于單一流體VOF法，但有多個速度。
展開 攪拌設備計算案例 ￥9.8
攪拌設備
問題描述
上循環(huán)流區(qū)域
槳葉
排除液體區(qū)
下循環(huán)流區(qū)
幾何模型
二維模型
攪拌器俯視圖
MRF模型
攪拌流體：水
定常流動
數(shù)值模型
邊界條件
Fluid-1 MRF
攪拌器
Momentum wall motion - moving wall rotational
求解計算
殘差
初始化
迭代
進一步計算
不同流速下的螺旋槳
附件為msh cas
展開 自主CAE|基于PERA SIM Fluid的汽車電子水泵分析
從導入幾何模型開始，到劃分多面體網(wǎng)格、對葉輪、蝸殼壁面進行邊界層控制，在物理模型設置中賦予材料參數(shù)及選擇合理的湍流模型、賦予計算域參考坐標系和轉(zhuǎn)速，在邊界條件中定義進出口類型，并給定參數(shù)、匹配好交界面后，進行求解方法的控制和輸出參數(shù)的監(jiān)控，最終得到關(guān)注的性能結(jié)果，并通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結(jié)果進行可視化的分析，實現(xiàn)了汽車電子水泵的3D仿真。本文的工作對泵水力性能設計和優(yōu)化具有一定的指導意義。
3.設計參數(shù)
本文的研究對象為汽車電子水泵，以電子水泵的水力分析為目的，進行泵內(nèi)流場分析，旨在評估泵的外特性能，對泵水力性能提供設計優(yōu)化依據(jù)，減少原型泵的設計和試驗次數(shù)，得到優(yōu)良的產(chǎn)品。
邊界條件：采用高效點流量和背壓模離心泵運行時的水力性能。
入口的質(zhì)量流量為0.33233 kg/s；出口的壓力為60kPa；轉(zhuǎn)速為6200rpm。
4.仿真分析過程
4.1 幾何建立和處理
4.1.1幾何模型導入
導入STP格式的離心泵幾何模型，該離心泵模型包含葉輪、蝸殼、進口段以及過渡段的流體區(qū)域，是表面封閉的模型，在PERA SIM中識別體后將采用MRF模型進行整機流體仿真。
4.1.2幾何模型修復過程
使用幾何菜單中的快速修復功能，設定合適的縫合容差值和去特征容差值，為了實現(xiàn)節(jié)點共享，將離心泵模型中進口段、葉輪、過渡段、蝸殼這幾部分區(qū)域進行自動的縫合交叉，確認縫合交叉位置處的交線呈現(xiàn)為黃色。
點擊工具欄中識別體功能，快速將計算域分成4個部分，成功后可以看到幾何樹中的“面”自動更新成為了“體”，重命名后分別為inflow、impeller、guoduduan、Volute。
展開 Ansys fluent16.0流固耦合散熱仿真
穩(wěn)態(tài)求解：風扇用MRF模型，在cell zone conditions中勾選Frame motion，設置好旋轉(zhuǎn)中心和轉(zhuǎn)速；
一、流固耦合交界面處理方法：
1、在SCDM中設置共享拓撲；
2、打開fluent meshing，軟件自動生成contact，每個接觸重命名為interface，在fluent中會自動生成交界面；
3、把自動生成的contact刪除，單獨命名各個接觸面為interface，之后在fluent/mesh interfaces中手動匹配；
4、將接觸的part進行form new part操作，之后就不用進行交界面的耦合操作（共節(jié)點）；
二、常見報錯：
1、 does not support overlapping geometry in contact region;
2、 does not support overlapping geometry in named sections;
第一種報錯是因為有一個面被設置在了多個接觸對中，檢查接觸面，刪除重復接觸面；
第二種報錯是因為有一個面被重復的命名，檢查named section，刪除重復命名截面；
展開 
Fluent MRF 旋轉(zhuǎn)機械（二） ￥5
本案例利用Fluent中的MRF模型，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了仿真計算。該案例僅對螺旋槳的穩(wěn)態(tài)計算進行了簡單演示，其余的旋轉(zhuǎn)機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關(guān)設置。
本文僅計算了進速系數(shù)為0.4的工況，計算結(jié)果與相關(guān)實驗較為接近。
1 workbench 設置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網(wǎng)格劃分功能的Fluent）
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
左邊為入口，右邊為出口。
3 FLUENT MESHING設置
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體的方法對體網(wǎng)格進行劃分。
具體網(wǎng)格劃分設置如下：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置
由于是MRF靜態(tài)求解問題，此處設置為穩(wěn)態(tài)計算模式。
4.2 材料定義
本案例模擬螺旋槳的水動力性能，因此選擇的材料為水。
4.3 模型設置
采用k-w SST 湍流模型。將螺旋槳所在的區(qū)域進行如下設置。使其實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能。
4.4 邊界條件設置
此處進行邊界條件設置，主要是依據(jù)進速系數(shù)進行入口速度大小設置。本案例中，僅計算了進速系數(shù)為0.4的情況，依據(jù)進速系數(shù)公式，此時的入口速度為1.22m/s。
將4119槳設置為移動壁面。
4.5 計算設置
進行初始化，初步計算100步。
開啟阻力監(jiān)測，對螺旋槳水動力性能展開監(jiān)測。
進一步進行流場計算，直到阻力值趨于穩(wěn)定。由下圖可知，本案例推力計算結(jié)果為270-280N之間。與實驗值接近。誤差在5%之內(nèi)。
4.6 后處理設置
對計算完成后的壓力云圖與流線圖進行繪制。
展開 Fluent MRF 旋轉(zhuǎn)機械（一）
本案例利用Fluent中的MRF模型，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了仿真計算。該案例僅對螺旋槳的穩(wěn)態(tài)計算進行了簡單演示，其余的旋轉(zhuǎn)機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關(guān)設置。
本文僅計算了進速系數(shù)為0.4的工況，計算結(jié)果與相關(guān)實驗較為接近。
1 workbench 設置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網(wǎng)格劃分功能的Fluent）
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
左邊為入口，右邊為出口。
3 FLUENT MESHING設置
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體的方法對體網(wǎng)格進行劃分。
具體網(wǎng)格劃分設置如下：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置
由于是MRF靜態(tài)求解問題，此處設置為穩(wěn)態(tài)計算模式。
4.2 材料定義
本案例模擬螺旋槳的水動力性能，因此選擇的材料為水。
4.3 模型設置
采用k-w SST 湍流模型。將螺旋槳所在的區(qū)域進行如下設置。使其實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能。
4.4 邊界條件設置
此處進行邊界條件設置，主要是依據(jù)進速系數(shù)進行入口速度大小設置。本案例中，僅計算了進速系數(shù)為0.4的情況，依據(jù)進速系數(shù)公式，此時的入口速度為1.22m/s。
將4119槳設置為移動壁面。
4.5 計算設置
進行初始化，初步計算100步。
開啟阻力監(jiān)測，對螺旋槳水動力性能展開監(jiān)測。
進一步進行流場計算，直到阻力值趨于穩(wěn)定。由下圖可知，本案例推力計算結(jié)果為270-280N之間。與實驗值接近。誤差在5%之內(nèi)。
4.6 后處理設置
對計算完成后的壓力云圖與流線圖進行繪制。
展開 Fluent MRF 旋轉(zhuǎn)卷弧翼彈箭氣動仿真
本案例利用Fluent的MRF模型，對TTCP模型氣動性能問題進行了仿真計算。該案例僅對TTCP模型的彈體穩(wěn)妥旋轉(zhuǎn)計算進行了簡單演示，后續(xù)將對其各項氣動性能參數(shù)繼續(xù)計算。
本文僅計算了馬赫數(shù)為1.1、攻角為4°的工況，并展開相關(guān)的后處理計算。
1 workbench 設置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網(wǎng)格劃分功能的Fluent）
下圖為本案例的workbench界面，一共分為三個模塊，若采用新版ansys，可以在一個模塊中完成所有計算。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
將已有的仿真模型導入A中。
3 FLUENT MESHING設置
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體的方法對體網(wǎng)格進行劃分。
在b中分別刪除網(wǎng)格內(nèi)域和外域，將其重新組裝，構(gòu)建內(nèi)外域交界面。此處的詳細設置將在第二篇文章中進行講解。
4 FLUENT 設置
4.1 General設置
首先要進行靜態(tài)求解，為后續(xù)計算提供穩(wěn)定的初始值。
4.2 材料定義
本案例中會使用壓力遠場邊界，因此需要重新設置空氣材料，設置為理想氣體。
4.3 模型設置
進行MRF設置。
4.4 參數(shù)表達式設置
本案例雖然僅進行4°攻角計算，但在此處進行了參數(shù)表達式的設置，可以快速更換角度進行測試，后續(xù)也可以進行參數(shù)化計算。此處不展開闡述，有需要的可以查看這兩篇文章進行學習Fluent MRF 旋轉(zhuǎn)機械 、參數(shù)化計算Fluent NACA2415參數(shù)化仿真計算（一）。
hh
4.5 邊界條件設置
將火箭炮設置為壁面。
添加interface交界面。
將其他壁面設置為壓力遠場邊界。
展開 Fluent實用案例 | MRF旋轉(zhuǎn)機械離心泵靜態(tài)仿真
本案例利用Fluent中的MRF模型，對離心泵性能問題進行了仿真計算。該案例僅對離心泵的穩(wěn)態(tài)計算進行了簡單演示，其余的旋轉(zhuǎn)機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關(guān)設置。本案例采用的離心泵為8個葉片，以轉(zhuǎn)速為1200rpm，入口質(zhì)量流量為280kg/s為標準設計相關(guān)模型，實際計算時采用3m/s的速度入口。
1 workbench 設置
本案例具體設置如下圖 ：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
本案例的離心泵模型在ansys的離心泵設計軟件中進行構(gòu)建，并導入SCDM中 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
3 Fluent Meshing 設置
3.1 網(wǎng)格設置
采用 Fluent meshing 進行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格劃分，并劃分相對應的邊界層網(wǎng)格。具體的網(wǎng)格劃分如下圖所示：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置與網(wǎng)格導入
由于本文僅分析對離心泵流場穩(wěn)態(tài)特性展開分析，因此僅需要進行穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果的討論，此處的設置比較簡單，勾選為穩(wěn)態(tài)計算，并選擇密度基求解器。
展開 