MRF方法的案例
【CFD專欄】針對車輛液壓系統離心泵的MRF和瞬態計算方法比較
這種熱流體系統的計算流體動力學（CFD）分析的準確性取決于計算方法的選擇。該文章介紹了使用商用Simerics MP+軟件對離心泵進行CFD分析的兩種不同方法：瞬態（即動網格）方法和MRF方法。此外，還將使用車輛冷卻液液壓系統CFD模擬獲得的流量和壓降數據與臺架試驗數據的結果進行了比較。瞬態方法計算了泵葉片的真實運動，得到了葉片幾何瞬時位置下的瞬時流量解。在MRF方法中，靜止區的流量控制方程在絕對/慣性坐標系中求解，而運動區的流量在相對/非慣性坐標系中求解。該研究針對泵曲線上的監測點，對獨立離心泵的瞬態和MRF 模擬結果進行了比較，并與獨立泵試驗進行了比較。
本文展示內容源自Simerics公司與福特汽車公司在SAE International上發布的文章，主要介紹Simerics India基于專業的CFD軟件Simerics MP+針對控制車輛冷卻液液壓系統的離心泵的瞬態模擬方法與MRF模擬方法的準確性比較。
展開 STAR-CCM+在風扇仿真中PQ與MRF域方法對比
2.2.2 MRF 域方法
MRF 域通過穩態方法進行風扇模擬，該方法需要扇葉詳細的CAD 數據，需將旋轉區域單獨分割，與其他區域進行interface 連接，其網格并非真實運動，通過旋轉坐標系體現風扇旋轉區域的效果，把動量源加載到葉片轉動所掃過區域的網格。
3 風扇單體試驗及仿真對比
在風洞試驗臺上進行單體試驗，使用“定靜壓”的方式測量風量，設定靜壓值，PID 儀表讀取當前靜壓，調節輔助風機風量，使當前靜壓值達到設定值，靜壓穩定后，計算出測試風機的風量。
在2300rpm工況下，將PQ、MRF 域方法采用定流量的仿真值與風扇單體試驗結果進行對比，如圖2：
風扇在轉速2300rpm下，MRF 域方法靜壓為0、40、80Pa時仿真精度較高，隨著壓力增加，誤差逐漸增大。采用MRF 域仿真誤差整體大于PQ 方法，風扇模型精度及MRF域旋轉區域的建立方式都是造成誤差的原因。PQ 方法輸入試驗測得的PQ 曲線，軟件通過插值法得到工作點的數據，導致0Pa 誤差大，但中間數值誤差很小。PQ 方法擺脫了對扇葉形狀的依賴，試驗PQ 數據足夠精確時，精度高于MRF域方法。
4 PQ 與MRF 域機艙流場分析
圖3（a）和（b）分別為PQ和MRF 域仿真60kph 機艙風扇后流線示意圖。PQ 仿真，提升通過interface 面流體的壓升，流體方向軸向平行流出，如圖3（a）。MRF 域仿真，旋轉區域內流場受扇葉影響，在扇葉區域風速高，遠離扇葉區域風速低，風扇出口流體與水平方向呈一定夾角，且流動呈螺旋狀趨勢，如圖3（b），此流動狀態與理論較為符合。
展開 穩態MRF方法在模擬離心風機中的有效性
在這些條件下，不太適合選用MRF公式對流動進行模擬，而需要使用滑移網格模型進行模擬。
總而言之，利用了FLUENT CFD求解器在非結構混合網格上對后傾離心風機進行性能計算。 計算結果與現有試驗數據吻合良好。此外，還正確地預測了重要的性能趨勢，如壓力上升和效率隨流量的變化以及效率峰值點。這些結果表明，穩態MRF方法可以有效地計算離心風機的流量。雖然目前的計算是對風機內平均流場的合理近似，但可以預見的是，當流體在非常低的流速下開始分解時，流動將變得非常不穩定。因此，穩態MRF方法無法滿足精度要求，需要非穩態（滑移網格）來進行求解計算。
圖六：中等流速下的靜壓等值線
圖七：中等流速下中間平面上的速度矢量
展開 Fluent仿真實例｜穩態MRF方法在模擬離心風機中的有效性
在這些條件下，不太適合選用MRF公式對流動進行模擬，而需要使用滑移網格模型進行模擬。
圖7：中等流速下中間平面上的速度矢量
總而言之，利用了Fluent CFD求解器在非結構混合網格上對后傾離心風機進行性能計算。 計算結果與現有試驗數據吻合良好。此外，還正確地預測了重要的性能趨勢，如壓力上升和效率隨流量的變化以及效率峰值點。
這些結果表明，穩態MRF方法可以有效地計算離心風機的流量。雖然目前的計算是對風機內平均流場的合理近似，但可以預見的是，當流體在非常低的流速下開始分解時，流動將變得非常不穩定。因此，穩態MRF方法無法滿足精度要求，需要非穩態（滑移網格）來進行求解計算。
展開 
螺旋槳數值模擬方法
從實際操作上來講，螺旋槳的直接數值模擬方法可以分為三種：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉問題，將復雜的問題進行簡化，是一種穩定性好、易于收斂的穩態方法。
RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網格法，該方法通過網格的旋轉來模擬槳的真實運動，在旋轉域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態方法。
OM為重疊網格法，也稱之為嵌套網格法，最近幾年應用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態方法，只是處理交界面的方式有所不同。
對比以上三種方法，各有其優缺點：
MRF方法是一種穩態方法，因此具有設置簡單、計算快速、易于收斂等優點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。
RBM方法是一種瞬態方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。
OM方法與RBM方法類似，得益于重疊網格在處理諸如極限、交叉、耦合等運動方面的優勢，該方法在處理船-槳-舵耦合運動及干擾、自航模、操縱性模擬等方面應用更為廣泛。
從網格生成的角度來看，MRF方法和RBM方法可以共用一套網格，二者處理計算域、交界面的方式完全相同，因此本次推送主要介紹這兩種方法，OM方法因為網格需要單獨生成，因此放在下次推送中進行介紹。
下面以KP505槳模為案例，對螺旋槳模擬的主要步驟進行介紹。
展開 螺旋槳數值模擬CFD方法
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從實際操作上來講，螺旋槳的直接數值模擬方法可以分為三種：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉問題，將復雜的問題進行簡化，是一種穩定性好、易于收斂的穩態方法。
RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網格法，該方法通過網格的旋轉來模擬槳的真實運動，在旋轉域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態方法。
OM為重疊網格法，也稱之為嵌套網格法，最近幾年應用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態方法，只是處理交界面的方式有所不同。
對比以上三種方法，各有其優缺點：
MRF方法是一種穩態方法，因此具有設置簡單、計算快速、易于收斂等優點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。
RBM方法是一種瞬態方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。
展開 旋轉機械 | 螺旋槳數值模擬方法
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從實際操作上來講，螺旋槳的直接數值模擬方法可以分為三種：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉問題，將復雜的問題進行簡化，是一種穩定性好、易于收斂的穩態方法。
RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網格法，該方法通過網格的旋轉來模擬槳的真實運動，在旋轉域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態方法。
OM為重疊網格法，也稱之為嵌套網格法，最近幾年應用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態方法，只是處理交界面的方式有所不同。
對比以上三種方法，各有其優缺點：
MRF方法是一種穩態方法，因此具有設置簡單、計算快速、易于收斂等優點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。
RBM方法是一種瞬態方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。
OM方法與RBM方法類似，得益于重疊網格在處理諸如極限、交叉、耦合等運動方面的優勢，該方法在處理船-槳-舵耦合運動及干擾、自航模、操縱性模擬等方面應用更為廣泛。
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從網格生成的角度來看，MRF方法和RBM方法可以共用一套網格，二者處理計算域、交界面的方式完全相同，因此本次推送主要介紹這兩種方法，OM方法因為網格需要單獨生成，因此放在下次推送中進行介紹。
下面以KP505槳模為案例，對螺旋槳模擬的主要步驟進行介紹。
展開 汽車CFD分析中，車輪旋轉不同模擬方法的比較研究
并且通過MRF方法獲得的通風阻力系數僅略大于SM，大約2個counts。 這個小間隙可能是由數值誤差引起的。 這意味著如果在穩定模擬中測量通風阻力，則僅MRF方法足夠準確。 由于其巨大的誤差，不建議使用MW方法。
表4阻力和升力系數
表5通風阻力系數
圖3.左前輪上的壓力系數（a：MW; b：MRf; c：SM）
討論
通風阻力
為了解釋升力和通風阻力系數的明顯差異，應仔細分析流場。由于兩個模型的結果是類似的，為了簡化工作，這里只給出了DrivAer的比較。首先研究通風阻力，因為它在三種方法之間的范圍不像升力那么大。圖3顯示了三種方法左前輪的壓力系數。
結果表明輪胎上的壓力分布相似。但在輻條上，可以觀察到一些差異。在輻條的背風側，MRF的壓力明顯高于MW，特別是在后部（圖3）。在逆風側，其壓力較低（圖3）.SM方法的結果似乎這兩者之間。此外，由于輪輻的旋轉，5個輻條上的壓力分布看起來幾乎相同。背風側的高壓和逆風側的低壓是通風阻力的主要來源，因此可以部分解釋MW的小通風阻力。此外，MRF對輻條側壁的壓力小于MW。所有這些現象表明，MRF對車輪輪輻區域的速度明顯高于MW。
在后輪上可以發現類似的壓力分布。在圖4中，輻條背風側的高壓和MRF在逆風側的低壓更加明顯。此外，MRF前輪的正壓區域也高于MW。這可以表明，當使用MRF時，不僅輻條區域內的流動而且迎面而來的流速也更高。
有關壓力分布的進一步說明，有必要查看車輪周圍的流速。圖5示出了平面上的速度y = -0.32m，其橫跨左輪的輪輻區域。
比較子圖，可以確信MRF輻射區域的速度大小高于MW和SM的速度大小。在前輪和后輪上，輪輞內部的流動明顯加快，這是MRF更大的通風阻力的主要原因。該結果與先前的研究一致。
展開 汽車空氣動力學中不同車輪旋轉模擬方法的比較研究
并且通過MRF方法獲得的通風阻力系數僅略大于SM，大約2個counts。 這個小間隙可能是由數值誤差引起的。 這意味著如果在穩定模擬中測量通風阻力，則僅MRF方法足夠準確。 由于其巨大的誤差，不建議使用MW方法。
表4阻力和升力系數
表5通風阻力系數
圖3.左前輪上的壓力系數（a：MW; b：MRf; c：SM）
討論
通風阻力
為了解釋升力和通風阻力系數的明顯差異，應仔細分析流場。由于兩個模型的結果是類似的，為了簡化工作，這里只給出了DrivAer的比較。首先研究通風阻力，因為它在三種方法之間的范圍不像升力那么大。圖3顯示了三種方法左前輪的壓力系數。
結果表明輪胎上的壓力分布相似。但在輻條上，可以觀察到一些差異。在輻條的背風側，MRF的壓力明顯高于MW，特別是在后部（圖3）。在逆風側，其壓力較低（圖3）.SM方法的結果似乎這兩者之間。此外，由于輪輻的旋轉，5個輻條上的壓力分布看起來幾乎相同。背風側的高壓和逆風側的低壓是通風阻力的主要來源，因此可以部分解釋MW的小通風阻力。此外，MRF對輻條側壁的壓力小于MW。所有這些現象表明，MRF對車輪輪輻區域的速度明顯高于MW。
在后輪上可以發現類似的壓力分布。在圖4中，輻條背風側的高壓和MRF在逆風側的低壓更加明顯。此外，MRF前輪的正壓區域也高于MW。這可以表明，當使用MRF時，不僅輻條區域內的流動而且迎面而來的流速也更高。
有關壓力分布的進一步說明，有必要查看車輪周圍的流速。圖5示出了平面上的速度y = -0.32m，其橫跨左輪的輪輻區域。
比較子圖，可以確信MRF輻射區域的速度大小高于MW和SM的速度大小。在前輪和后輪上，輪輞內部的流動明顯加快，這是MRF更大的通風阻力的主要原因。該結果與先前的研究一致。
展開 韓占忠fluent價值數千的培訓課程資料
ANSYS_FLUENT經典完整培訓教材.pdf
課程大綱.doc
7-葉輪機械——Turbo工具的應用.pdf
base.rar
1-噴管內非定常氣體流動-軸對稱與UDF.pdf
2-翼型的氣體繞流.pdf
3-換熱器內的流動與換熱-對稱與周期邊界.pdf
4-攪拌器_MRF方法與滑移網格.pdf
4-移動邊界與動網格應用.pdf
6-水流沖擊平板的流動——VOF模型的應用.pdf
Fluent滑移網格----物理時間步長的設定【轉】
在Fluent中計算帶旋轉部件的模型時常用MRF方法和Moving Mesh方法。兩種方法都需要劃分旋轉區域和固定區域。MRF法的模型固定，以運動的坐標系來模擬旋轉流場，是快速有效的定常計算方法。Moving Mesh法運動的不是坐標系，而是物理模型和部分網格。當旋轉區域及其內部物體的相對速度為0時，整個旋轉域作剛體轉動。在每個時間步需要將interface節點上的流動變量進行傳遞，以實現兩個區域的流場耦合求解。這相對于網格重生成的方法來說可以節省大量的計算成本。
由于Moving Mesh法采用的是非定常方法，計算量較大，因此合理地設定物理時間步和每步的迭代步數就很重要了。前者經驗上往往設為轉速倒數的1/10，轉速單位為rad/s；后者根據需要常設在10~30之間。
在用Moving Mesh進行非定常計算之前，可以先用定場的方式計算流場，這樣可以加快收斂速度，并提高非定常計算前期輸出結果的可信度。同時還要注意旋轉域的物理量往往變化劇烈，需要較密的網格，Pressure discretization建議采用presto!格式。
PS：滑移網格計算量確實挺大，我現在做的全機帶螺旋槳的網格，旋轉域100W，固定域200W，i5-760CPU四核全開，定常計算1000步迭代耗時仍要2h40min，非定常階段耗時14h
展開 
韓占忠老師“fluent通用流體數值模擬學習“北京理工大學舉辦
其中涉及到模型的建立、網格的劃分、材料的選取、邊界條件的設置、計算方法及紊流模型的選取、UDF的應用等；
（1）FLUENT二維內流——軸對稱縮放噴管內的流動及分析；
（2）FLUENT二維外流——翼型的繞流流動及分析；
（3）FLUENT三維內流——引射器的工作過程分析；
（4）FLUENT三維內流——兩棲車輛的水上航行過程分析—VOF多相流模型的應用；
三，FLUENT/CFX應用與提高 求解器/邊界條件；
（1）FLUENT中的湍流模型；
（2）FLUENT為多相流模型；
（3）FLUENT瞬態問題分析；
（4）FLUENT多相流中的空化問題分析；
四，FLUENT UDF的案例實操 （1）噴管內非定常氣體流動——軸對稱模型與UDF用于速度入口和壓力入口邊界設置
（2）噴管內定常氣體流動——軸對稱模型與UDF用于管道入口邊界的非均勻速度分布
（3）固壁間的氣體絕熱流動——UDF用于固體壁面的正弦溫度分布
（4）液態金屬的凝固問題——UDF用于改變粘性和添加源項
（5）攪拌器內的流動——移動邊界的MRF方法與滑移網格
（6）噴泉的噴射過程——水氣兩相流動VOF模型的應用
（7）空氣濾清器內的流動計算——多孔介質問題
（8）旋風分離器內流動——DPM模型的應用
五、FLUENT在工程實例分析及練習 （1）FLUENT在流體機械領域的應用（泵或風機分析實例）；
（2）FLUENT在換熱及制冷領域的應用 （換熱器分析實例）；
（3）FLUENT在外部減阻問題的應用 （空化問題研究）；
六，輔助課程 （1）疑難解答
（2）分組討論；
（3）關鍵問題解析；
（4）學后交流、QQ群建立；
學習地點：北理工軟件學院機房上課 聯系人：彭東康
展開 性能測試｜Fluent穩態分析——旋轉機械流場仿真對比實測
本期選取了CFD領域的典型場景，穩態仿真計算案例——基于MRF方法的旋轉機械流場分析，我們選用的軟件是CFD領域最常用的仿真軟件Fluent。我們來看下基于SimForge?高性能仿真云平臺的CFD穩態計算，和其他仿真云平臺效率對比的情況。
模擬與網格
我們采用某品牌空調室外機作為穩態分析的仿真模型，如下圖所示，左側與后側的進口流域，以及前側的出口流域都考慮到計算中，并對空調內部結構簡化后進行網格劃分，最終網格單元數868萬，其中，風扇葉片的旋轉速度是850rpm。
求解設置
根據該款旋轉機械的相關參數，經過理論計算得到該旋轉機械的最大速度為25.6m/s，折合馬赫數為0.075，為不可壓縮流動，故選擇壓力基求解器，湍流模型選用了適用于旋轉機械的k-ε Realizable模型。對于動區域計算模型，本次穩態計算選擇了網格靜止不動的MRF旋轉坐標系法，計算迭代步數400步，相關設置如下。
仿真結果
迭代完成之后仿真云圖如下所示：
仿真平臺對比
我們進行Fluent旋轉機械穩態分析時,“神工坊”高性能工業仿真平臺與其他兩家仿真云平臺的硬件參數如下表所示：
計算過程中三個平臺的一些輸出日志如下圖所示：
本次仿真并行規模分別選取了16核、32核、64核、128核（受限于另外兩個平臺無法進行跨節點并行，并行規模無法進一步擴大），我們在SimForge?平臺進行了256核等更大規模的并行計算，結果顯示計算用時會進一步縮短。SimForge?高性能仿真云平臺與其他幾家仿真云平臺的計算時間如下圖所示，其中，由于仿真云平臺2最高只能64核并行使用，故圖表中無仿真云平臺2并行規模為128核的結果。
可以發現，SimForge?高性能工業仿真平臺在進行穩態仿真分析時，表現出了絕對的速度優勢。
展開 一文get電子產品散熱仿真（內含案例）
MRF（moving reference frame）：
與PQ曲線方法相比，MRF方法建立了較為詳細的葉片模型，因此可以提供更高的計算精度，但缺點是獲取葉片的幾何可能有一定困難，需要聯系廠家才有可能拿到，計算成本也提高了。并且也僅適合處理轉子與定子之間的相互作用較弱的場合（當這種作用不可以忽略的情況下，需要使用滑移網格技術，進行瞬態計算）。
仿真案例
以下我們采用MRF方法，做了一個采用了軸流風扇的強制風冷散熱的案例。使用的是Altair Simlab 前處理+Acusolve求解器。
模型文件下載自GrabCAD (https://grabcad.com )， 這個模型中，包含了散熱片、風扇、簡化的芯片模型、導熱墊片、以及PCB。我們對原始模型做了一些幾何上的簡化。在這個仿真中，考慮到計算效率，關閉了熱輻射效應（對于強制對流問題，輻射的影響較小，但會顯著影響計算時間，對于自然對流問題，輻射的影響則一般不能忽略）。
渲染圖+剖面圖
（模型為GrabCAD上公開資源，非實際產品）
有限元模型設定如下：
穩態，湍流模型選擇Spalart-Allmaras, 考慮流動，求解溫度場（即關閉temperature flow的選項），對扇葉邊界層進行了網格加密。流體空氣為常物性的參數。
展開 CFD仿真：離心泵設計中的效率優化
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。出口面的壓力設置為0 Pa，可以與入口面一起監測，以獲得平均和積分結果。
結果
該CFD分析的結果揭示了許多設計優化的機會。特別是，速度和壓力的某些變化表明了能量損失的區域。該分析的流速模式顯示了能量損失的幾個關鍵區域 - 水流經過蝸舌后的流速明顯減小，在葉輪吸入孔周圍發生了流動再循環（入口回流）。這種再循環的流體對泵的性能沒有貢獻，因此應該進行調整以恢復這種損失的能量，例如改變蓋板的幾何形狀。
圖4：CFD結果顯示了葉輪（葉片）尖端處存在高壓和葉輪吸入孔周圍的低壓區域
當流體進入泵的螺旋蝸殼時，它被轉化為壓力能。在理想的設計中，該區域的壓力增加應該是平穩和漸進的。然而，在這種設計的初始運行中，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生負面影響，因此應進行審查。
圖5：顆粒軌跡顯示了流體進入離心泵葉輪時產生的渦流
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象。在這種情況下，葉輪的旋轉會在入口處產生渦旋。
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