Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Single Reference Frame

Подход Single Reference Frame применяется только в случае, когда вся расчетная зона движется с одинаковой скоростью. При этом она содержит одну зону потока и одну СК. Стенки, перемещающиеся со скоростью системы координат, могут иметь любую форму. Стенки неподвижные в абсолютной СК или перемещающиеся с другой скоростью относительно подвижной СК должны иметь форму поверхности вращения, если движение системы вращательное, или плоскости, если движение системы поступательное. На этих стенках не должно быть выступающих элементов. Движение стенки относительно расчетной области задается с помощью опции Moving Wall в ГУ Wall.

Типичным примером использования подхода Single Reference Frame является задача перемешивания нескольких веществ с помощью вращающейся крыльчатки (рис. 7.1). Расчетная область состоит из одной зоны. Движение крыльчатки учитывается решением задачи в подвижной СК, вращающейся с угловой скоростью крыльчатки. С помощью рассматриваемого подхода задача может быть решена только тогда, когда неподвижная стенка, ограничивающая расчетную область, является поверхностью вращения (рис. 7.1, а). Если она содержит выступающие элементы как, например, на рис. 7.1, б, то подход Single Reference Frame неприменим. В этом случае нужно использовать другие способы решения задачи.

Рис. 7.1 Применение подхода Single Reference Frame для исследования течения в смесительном устройстве

Подход Single Reference Frame применим как в двухмерной, так и трехмерной постановке. При использовании этого подхода в двухмерной постановке ось вращения может совпадать с осью oz (рис. 7.2, а) или осью ox (рис. 7.2, б). В последнем случае расчетная модель является осесимметричной. При исследовании течения через вращающиеся элементы в осесимметричной постановке в меню DefineSolver в программе Fluent необходимо активировать опцию Axisymmetric Swirl (осесимметричная задача с вращением).

При исследовании течения через подвижный элемент, совершающий вращательное движение, целесообразно моделировать только сектор расчетной области, а на боковых поверхностях сектора использовать ГУ периодичности (рис. 7.3). Число периодических элементов определяется геометрией подвижного элемента. Например, при исследовании течения через решетку турбомашины один периодический элемент содержит, как правило, один или несколько межлопаточных каналов.

Для того, чтобы описать движение расчетной области с помощью подхода Single Reference Frame в программе Fluent необходимо выполнить следующие действия:

1. В меню Boundary Condition описывается подвижная СК. Для этого в поле Zones необходимо выбрать область течения (если в Gambit не делалось никаких действий с областями течения, то она, как правило, называется Fluid) и нажать кнопку Set. В появившемся меню редактирования свойств области течения (рис. 7.4), в списке Motion Type следует выбрать пункт Moving Reference Frame. Тем самым будет определено, что данная область течения находится в подвижной СК. После этого ниже упомянутого списка появится несколько полей, в которых нужно задать параметры движения.

Рис. 7.4 Меню Zones

Если элемент вращается, то в поле Rotation Speed вводится скорость вращения. В случае линейного перемещения, в поле Transnational Velocity задаются проекции вектора скорости. Одновременное определение поступательного и вращательного движения позволяет задать сложное движение.

Ось вращения задается в полях Rotation Axis Origin (точка оси) и Rotation Axis Direction (направление оси) (рис. 7.5), находящихся выше списка Motion Type. Внимание: ось вращения должна быть обязательно описана при использовании угловой периодичности, не зависимо от типа движения СК.

Рис. 7.5 Поле, в котором определяется положение оси вращения

2. Описывается движение стенок, ограничивающих расчетную область. Оно определяется в поле Wall Motion в меню задания ГУ стенки Define Boundary ConditionWall (рис. 7.6). Если при описании движения элементов в поле Wall Motion выбрана опция Stationary Wall (позиция 1 на рис. 7.6), то это значит, что стенка неподвижна относительно СК, в которой находится зона потока и к которой принадлежит стенка. Таким образом, если зона находится в подвижной СК, то стенка движется относительно абсолютной СК со скоростью подвижной.

Если стенка неподвижна в абсолютной СК или движется со скоростью отличной от скорости движения подвижной системы, то она считается подвижной. В этом случае, в ГУ Wall следует задать параметры движения стенки (в поле Wall Motion выбирается опция Moving Wall (рис. 7.6)). Скорость движения стенок задается подобно тому, как задавалось движение СК.

Опция Relative to Adjacent Cell Zone (позиция 2 на рис. 7.6) определяет то, что скорость движения стенки будет задаваться в подвижной СК.

Опция Absolute (позиция 2 на рис. 7.6) определяет то, что скорость движения стенки будет задаваться в абсолютной СК.

Если стенка неподвижна в абсолютной СК, то следует выбрать опцию Absolute (позиция 2 на рис. 7.6) и в поле Speed ввести скорость равную нулю.

Рис. 7.6 Меню задания граничного условия стенки

3. При исследовании течения через вращающиеся элементы в ГУ «давление на выходе (pressure outlet)» можно активировать опцию Radial Equilibrium Pressure Distribution. Она позволяет рассчитать распределение давления по высоте канала с помощью уравнения радиального равновесия:

.

Учет распределения давления по уравнению радиального равновесия особенно актуален для турбомашин.