Fluent 案例-SMM 滑移网格模型 瞬态

       本篇章利用滑移网格模型(SMM)就单级轴流式压气机的定子和转子之间流动相互作用引起的瞬态效应进行分析，主要内容如下：

      ▉ 滑移网格简介

       ▉ 问题描述

       ▉ 分析流程

       ▉ 讨论

01-滑移网格简介

       滑移网格模型(Sliding Meshs)，可以处理非定常问题，这是它与MRF模型以及MP模型的最大区别，滑移网格技术处理的通常是带有周期性的问题。比如叶轮机械中转子与定子的相互干扰问题〔尾迹、激波、流动分离现象)，但是滑移网格也可以用于计算非周期性问题。例如两列火车站交错会车行驶过程中两车车身周围流场的变化。

       ✦ 在不需要考虑转子和定子相互干扰的细节的时候，用MRF模型和MP模型进行定常计算就可以获得相互干扰的时间平均的平均效果了，但是在需要考虑干扰过程细节时，则必须使用滑移网格技术。

       ✦ 滑移网格模型中计算中需要使用的计算资源比较大，对内存，CPU速度都有较高的要求。

       ▇ 滑移网格模型的思想：

       ✦ 在滑移网格计算中，计算域至少包含两个以上存在相对运动的子域。每个运动子域至少有一个与相第子域连接的交界面。原则上交界面的形状可以是任意的，但是在实际计算中，交界面的形状都设计成滑移后相邻子域不能相互重叠的形状。或者说交界面上的运动速度必须与交界面相垂直。例如在旋转机械问题中。交界面都设计成轴对称形式，包括圆锥面、圆柱面等形状：在列车交错会车问题中，交界面常设计成平面等。

        ✦ 滑移网格技术中设定的变界面在计算过程中总是有一部分与相邻子域相连，而其余区域则不与相邻子域相连。

       ✦ 与相邻子域相连接的区域被称为内部区城。

       ✦ 与相邻子域不相连的区域，在平动问题中被称为壁面区域，在周期性流动问题中则被移为周期区城。

       ✦ 在每次选代结束后，FLUENT都会重新计算内部区域的范围，将交界面的其余部分划定为壁面区域或周期性区域。并在壁面区域或周期性区域上设定相应的边界条件。在新的迭代步中，只计算内部区域上的通量。

       ✦ 滑移网格计算中采用的是非正则网格技术，即交界面两侧子域在交界面上不共用网格节点，因此内部区域不是用交界面两侧的网格面直接构成的，而是通过子域间的相对移动量重新计算得出内部区域的边界位置。

02-问题描述

       该案例是由两排叶片组成的单级轴流压气机。第一排是有16个叶片的转子，转速为37500r/min，第二排是32个叶片的定子。分析考虑定子和转子之间流动相互作用引起的瞬态效应，本案例采用ANSYS FLUENT的滑移网格模型，定子和转子的域都是具有旋转周期的，这允许我们只建模几何的一部分，即一个动子叶片和两个定子叶片。转子-定子相互作用是通过允许动子相关的网格相对于定子相关的静止网格旋转来建模表现的。由于流动的高雷诺数和网格的相对粗糙，分析将采用无粘模型来求解欧拉方程。

       本案例重点操作如下:

       • 创建周期性区域。

       • 建立滑动网格模拟的瞬态求解器和单元区和边界条件。

       • 设置一个周期性滑动网格模型的网格接口。

       • 采样与时间相关的数据并查看平均值。

03-分析流程

      ▊ 模型导入

      通过File_Read_Mesh导入该模型的网格文件_

       ▊ General设置

      模型导入后进行Check网格质量检查、Scale尺寸设置、可依据需要修改单位Unit、选择Density-Based密度基、Absolute绝对速度、Transient瞬态_

       ▊ Model设置

      双击打开Viscous，选择Inviscid方程，其他保持默认_

[注]由于流动的高雷诺数和网格的相对粗糙，分析采用无粘模型来求解欧拉方程。

       ▊ Materials设置

      该案例流体域的材料为air(空气)，Fluent默认流体域材料就是air，但是需要在Density项选择ideal-gas，其他保持默认即可_

      [注意]

      此时控制台显示如下，此时已默认开启了能量方程,因为当使用理想气体定律计算流体密度时，ANSYS FLUENT将自动启用能量方程，也可自行在Models中查看能量方程开启情况_

       Note: Enabling energy equation as required by material density method.

      ▊ Cell Zone Conditions设置

      转子域fluid-rotor设置勾选Mesh Motion，并设置旋转中心，旋转方向和旋转角速度_

      定子域fluid-stator保持默认即可_

       ▊ 边界条件设置

      [周期性边界条件设置]

      在控制台按键回车，输入以下命令，创建周期性边界条件_

> mesh

/mesh> modify-zones

/mesh/modify-zones> list-zones

id name type material kind

---- ------------------------- ------------------ -------------------- ----

13 fluid-rotor fluid air cell

28 fluid-stator fluid air cell

2 default-interior:0 interior face

15 default-interior interior face

3 rotor-hub wall air face

4 rotor-shroud wall air face

7 rotor-blade-1 wall air face

8 rotor-blade-2 wall air face

16 stator-hub wall air face

17 stator-shroud wall air face

20 stator-blade-1 wall air face

21 stator-blade-2 wall air face

22 stator-blade-3 wall air face

23 stator-blade-4 wall air face

5 rotor-inlet pressure-inlet face

19 stator-outlet pressure-outlet face

10 rotor-per-1 wall air face

12 rotor-per-2 wall air face

24 stator-per-2 wall air face

26 stator-per-1 wall air face

6 rotor-interface interface face

18 stator-interface interface face

11 rotor-per-4 wall air face

9 rotor-per-3 wall air face

25 stator-per-4 wall air face

27 stator-per-3 wall air face

/mesh/modify-zones> make-periodic

Periodic zone [()] 10

Shadow zone [()] 9

Rotationally periodic? (if no, translationally) [yes] yes

Create periodic zones? [yes] yes

zone 9 deleted

created periodic zones.

       【注意】

       ✦ 注意只有在英文格式下输入才有效，输入时显示为蓝色即为有效，中文输入法状态下输入文字显示为黑色(无效)；

       ✦ 上述命令仅创建了一对周期性边界，其他的周期性边界创建原理相同；

       ✦ 上述命令中前半部分是为了查看边界ID，边界ID也可以在左侧结构树中查看，则命令从make-periodic开始即可；

       ✦ *.msh文件中壁面的名称命名格式直接影响到被Fluent读入后的壁面类型设置，通过在*.msh文件中合理的对周期性边界进行命名可以在Fluent读取时自动识别，但可能会出错，建议采用上述命令自行设置；

       [转子入口边界]

       转子入口边界类型选择Pressure-inlet(压力入口)边界并进行图中的设置_

       [定子出口边界]

       定子出口边界类型选择Pressure-outlet(压力出口)边界并进行图中的设置_

       ✦ 在压力出口输入的动量设置和温度将仅在气流通过该边界进入区域时使用。为这些下游标量值设置合理的值是很重要的，以防在计算过程中发生流动反转。

       [壁面边界]

       壁面保持默认设置即可_

       [interface设置]

       转子出口与定子入口通过建立interface进行数据交互，两侧采用非正则网格，首先将转子出口与定子入口的Type(壁面类型)设置为interface，然后通过Mesh interface_Manual Create进行创建_

       注意勾选Periodic Repeats，启用此选项，即表示当两个区域不重叠时，允许ANSYS FLUENT将滑动区和非滑动区之间的界面视为周期性的。

       ✦ 一般情况下，当一个接口区域小于另一个接口区域时，建议选择较小的接口区域作为接口区域1。在本案例中，由于两个区域的大小大致相同，因此顺序并不重要。

       ▊ 操作环境设置

       通过Physics_Solver_Operating Conditions进行操作环境设置_

       ✦ 既然已经用绝对压力指定了压力的边界条件输入，因此将操作压力设置为零，压力的边界条件输入应始终与操作压力的值相对。对于压力的各种分类及意义在此不做过多介绍，有机会再行分享；

      ▊ Solution设置

      通过Solution_Methods进行相应设置，注意Flow模块选择Second Order Upwind_

      ▊ 残差、监测设置

      进行残差设置，并设置监测面，监测面设置可参考转子入口质量流率、定子出口质量流率、interface的平均压力等；

      ▊ 初始化、保存设置

      进行初始化，并通过File_Write_Case保存模型_

      ▊ 计算设置

      计算设置及后处理涉及到瞬态计算的相关理论等，本案例也需要经过多次的计算，在此便不做过多的介绍了，本案例主要是为了介绍滑移网格模型SMM的使用，有机会就瞬态的相关理论再行分享_

04-讨论

      ✦ 本篇章利用滑移网格模型(SMM)就单级轴流式压气机的定子和转子之间流动相互作用引起的瞬态效应进行分析，主要目的是介绍滑移网格模型(SMM)的使用，并未对瞬态计算及该领域的具体设置等进行详细说明，有兴趣的小伙伴可自行研究，本案例涉及的相关资料及模型文件等见篇尾分享；

      ✦ 模型文件分享！[仅供学习交流使用]

       链接：https://pan.baidu.com/s/19HgpTr5JsUzmq7aPhhFFQg

      提取码：vj8s

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