ANSYS Fluent：旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析技術(shù)教程.Tex.header

ANSYSFluent：旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析技術(shù)教程1ANSYSFluent:旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析1.1簡介1.1.1旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析的重要性在工業(yè)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)機(jī)械如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵等設(shè)備的性能優(yōu)化至關(guān)重要。這些設(shè)備在運(yùn)行過程中，內(nèi)部流體的動態(tài)行為直接影響其效率、噪音水平以及使用壽命。因此，精確分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流體的流動特性，對于提升設(shè)備性能、減少能耗、降低噪音和延長使用壽命具有重大意義。1.1.2ANSYSFluent在旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析中的應(yīng)用ANSYSFluent是一款強(qiáng)大的計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）軟件，廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流體分析中。它通過求解流體動力學(xué)的基本方程，如Navier-Stokes方程，能夠模擬復(fù)雜流體流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析中，F(xiàn)luent提供了專門的旋轉(zhuǎn)參考框架（RRF）和滑移網(wǎng)格（SlidingMesh）技術(shù)，使得模擬旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間的相對運(yùn)動成為可能，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測設(shè)備的性能。1.2旋轉(zhuǎn)參考框架（RRF）在旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析中，旋轉(zhuǎn)參考框架（RRF）是一種常用的技術(shù)，它允許在固定網(wǎng)格上模擬旋轉(zhuǎn)部件的流體流動。通過將旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為參考框架的旋轉(zhuǎn)，可以避免使用復(fù)雜的動態(tài)網(wǎng)格，從而簡化計(jì)算過程。1.2.1原理在RRF中，流體動力學(xué)方程在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行求解。這意味著方程中會包含額外的慣性力項(xiàng)，如科里奧利力和離心力，以反映流體在旋轉(zhuǎn)環(huán)境中的行為。這些力項(xiàng)的加入，使得Fluent能夠準(zhǔn)確模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流體的動態(tài)特性。1.2.2內(nèi)容在Fluent中設(shè)置RRF，需要指定旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)速度。此外，還需要正確設(shè)置邊界條件，以確保流體在旋轉(zhuǎn)和靜止部件之間的過渡是平滑的。Fluent提供了多種湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型和雷諾應(yīng)力模型，以適應(yīng)不同旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流體分析需求。1.3滑移網(wǎng)格（SlidingMesh）滑移網(wǎng)格技術(shù)是另一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析中常用的高級方法，它允許模擬旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間的相對運(yùn)動，而無需改變網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。1.3.1原理滑移網(wǎng)格通過在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間定義一個滑移界面，使得流體可以在兩個部件之間自由流動，同時保持各自的網(wǎng)格獨(dú)立。在滑移界面上，F(xiàn)luent會自動處理流體速度和壓力的連續(xù)性，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。1.3.2內(nèi)容使用滑移網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析，首先需要在幾何模型中定義旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件，并在它們之間創(chuàng)建滑移界面。然后，在Fluent中設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格運(yùn)動類型，選擇滑移網(wǎng)格選項(xiàng)，并指定旋轉(zhuǎn)速度和方向。最后，通過選擇合適的湍流模型和求解器設(shè)置，進(jìn)行流體流動的數(shù)值模擬。1.4示例：使用ANSYSFluent進(jìn)行風(fēng)扇流體分析假設(shè)我們有一個風(fēng)扇模型，需要分析其在不同轉(zhuǎn)速下的流體動力學(xué)特性。我們將使用ANSYSFluent的RRF和滑移網(wǎng)格技術(shù)來完成這一任務(wù)。1.4.1幾何模型與網(wǎng)格劃分首先，使用ANSYSWorkbench中的Meshing模塊對風(fēng)扇模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。確保旋轉(zhuǎn)葉片區(qū)域和靜止區(qū)域分別使用獨(dú)立的網(wǎng)格，且在葉片與靜止區(qū)域接觸處創(chuàng)建滑移界面。#ANSYSMeshing命令示例

meshing-batch-commandfilemeshing_commands.txt在meshing_commands.txt文件中，可以包含網(wǎng)格劃分的具體參數(shù)和滑移界面的定義。1.4.2Fluent設(shè)置與求解接下來，在ANSYSFluent中設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考框架和滑移網(wǎng)格。#ANSYSFluent命令示例

fluent-g-ifluent_commands.jou在fluent_commands.jou文件中，可以包含以下設(shè)置：#設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考框架

(rp-setvar'rrf-ont)

(rp-setvar'rrf-omega1000);設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為1000rad/s

#設(shè)置滑移網(wǎng)格

(rp-setvar'sliding-mesh-ont)

(rp-setvar'sliding-mesh-interface'("rotor""stator"));定義滑移界面

#設(shè)置湍流模型

(rp-setvar'turbulence-model'k-epsilon)

#開始求解

(rp-setvar'solution-method'pressure-based)

(rp-setvar'number-of-iterations1000)

(rp-setvar'write-resultst)

(rp-setvar'write-results-interval100)

(rp-setvar'solvet)通過上述設(shè)置，F(xiàn)luent將模擬風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的流體流動，同時記錄每100次迭代的結(jié)果，便于后續(xù)分析。1.4.3結(jié)果分析完成求解后，可以使用Fluent的后處理功能，如CFD-Post，來分析流體速度、壓力分布、湍流強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)。這些結(jié)果有助于評估風(fēng)扇的性能，并為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。#ANSYSFluent后處理命令示例

fluent-g-ipost_commands.jou在post_commands.jou文件中，可以包含結(jié)果分析和可視化命令，如：#分析流體速度

(rp-setvar'plot-velocity-contourst)

#分析壓力分布

(rp-setvar'plot-pressure-contourst)

#保存結(jié)果圖像

(rp-setvar'save-figurest)

(rp-setvar'save-figures-directory"/path/to/save/directory")通過這些命令，可以生成風(fēng)扇在不同轉(zhuǎn)速下的流體速度和壓力分布圖像，便于直觀地理解流體動力學(xué)特性。1.5結(jié)論ANSYSFluent通過其強(qiáng)大的RRF和滑移網(wǎng)格技術(shù)，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析提供了精確的解決方案。無論是風(fēng)扇、泵還是渦輪機(jī)，F(xiàn)luent都能夠幫助工程師深入理解設(shè)備內(nèi)部的流體行為，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升性能。通過上述示例，我們展示了如何在Fluent中設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析，以及如何進(jìn)行結(jié)果的分析和可視化，為實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)。請注意，上述代碼示例是基于Joule格式的Fluent命令流，實(shí)際使用時可能需要根據(jù)Fluent的版本和具體需求進(jìn)行調(diào)整。此外，網(wǎng)格劃分、求解設(shè)置和結(jié)果分析的具體參數(shù)，應(yīng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的幾何結(jié)構(gòu)、工作條件和分析目標(biāo)進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，以確保模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。2ANSYSFluent:旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析教程2.1基礎(chǔ)設(shè)置2.1.1創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)機(jī)械模型在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析之前，首先需要在ANSYSFluent中創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)機(jī)械模型。這通常涉及到定義旋轉(zhuǎn)區(qū)域、設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度以及確定流體和固體的材料屬性。2.1.1.1步驟1:定義旋轉(zhuǎn)區(qū)域在Fluent中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析通常通過定義旋轉(zhuǎn)參考幀（RotatingReferenceFrame,RRF）來實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)區(qū)域可以是整個模型的一部分，例如葉輪或泵殼，或者是模型的全部，如在分析整個渦輪機(jī)時。2.1.1.2步驟2:設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)置是通過指定旋轉(zhuǎn)軸的方向和旋轉(zhuǎn)速度的大小來完成的。在Fluent中，可以通過“Define”菜單下的“Models”選項(xiàng)，然后選擇“Multi-ReferenceFrame”來設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度。2.1.1.3步驟3:確定材料屬性對于流體和固體材料，需要在Fluent中定義其物理屬性，如密度、粘度、熱導(dǎo)率等。這些屬性可以通過“Materials”菜單下的“New”或“Edit”選項(xiàng)來設(shè)置。2.1.2網(wǎng)格劃分與檢查網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析中，網(wǎng)格劃分需要特別注意旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量和接口的匹配。2.1.2.1網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分通常在ANSYSICEM或ANSYSMeshing中完成。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，推薦使用六面體網(wǎng)格，因?yàn)樗鼈冊谛D(zhuǎn)區(qū)域的邊界層和復(fù)雜幾何形狀中提供了更好的精度。2.1.2.2網(wǎng)格檢查網(wǎng)格檢查是確保網(wǎng)格質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。在Fluent中，可以使用“Mesh”菜單下的“Check”選項(xiàng)來檢查網(wǎng)格的質(zhì)量。檢查包括網(wǎng)格的連通性、扭曲度、正交質(zhì)量等。2.2示例：設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考幀假設(shè)我們正在分析一個葉輪的流體動力學(xué)，葉輪的旋轉(zhuǎn)速度為1000RPM，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸。以下是如何在Fluent中設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考幀的步驟：打開Fluent，進(jìn)入“Define”菜單下的“Models”選項(xiàng)。選擇“Multi-ReferenceFrame”，然后在彈出的對話框中選擇“Rotating”。在“RotatingFrameofReference”對話框中，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸的方向?yàn)閆軸，旋轉(zhuǎn)速度為1000RPM。在Fluent中，這些設(shè)置可以通過以下命令行來實(shí)現(xiàn)：#設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考幀

(rp-setvar'define/mrf/rotating-frame-of-reference?t)

(rp-setvar'define/mrf/rotating-frame-of-reference/axis'z)

(rp-setvar'define/mrf/rotating-frame-of-reference/rpm1000)以上代碼示例在Fluent的命令行界面中設(shè)置了一個旋轉(zhuǎn)參考幀，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，旋轉(zhuǎn)速度為1000RPM。2.3示例：網(wǎng)格檢查在Fluent中，網(wǎng)格檢查可以通過以下命令行來實(shí)現(xiàn)：#檢查網(wǎng)格質(zhì)量

(rp-setvar'check/mesh?t)這將檢查網(wǎng)格的連通性、扭曲度、正交質(zhì)量等，并在控制臺輸出檢查結(jié)果。如果網(wǎng)格質(zhì)量不佳，F(xiàn)luent將提供詳細(xì)的錯誤信息，幫助用戶定位和解決問題。2.4結(jié)論通過以上步驟，我們可以在ANSYSFluent中創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)機(jī)械模型，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。這些是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析的基礎(chǔ)設(shè)置，對于獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。3ANSYSFluent:邊界條件與旋轉(zhuǎn)域設(shè)置3.1定義邊界條件在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析時，邊界條件的定義至關(guān)重要，它直接影響到流體流動的模擬結(jié)果。邊界條件包括入口、出口、壁面、自由表面等，每種條件都有其特定的設(shè)置方式。3.1.1入口邊界條件入口邊界條件通常設(shè)置為速度入口或壓力入口。例如，如果我們要模擬一個旋轉(zhuǎn)葉輪的入口，可以設(shè)置為速度入口，速度方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致。#ANSYSFluent命令行示例：設(shè)置入口邊界條件

#打開邊界條件設(shè)置界面

BoundaryConditions...

#選擇入口邊界

Select"Inlet"fromtheboundaryconditionlist.

#設(shè)置速度入口

Choose"VelocityInlet"astheboundarytype.

#輸入速度值

Setthevelocitymagnitudeanddirectionbasedontherotationspeedanddirectionoftheimpeller.3.1.2出口邊界條件出口邊界條件可以設(shè)置為壓力出口或出流邊界。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，如果出口連接到大氣，通常設(shè)置為壓力出口，壓力值為大氣壓。#ANSYSFluent命令行示例：設(shè)置出口邊界條件

#選擇出口邊界

Select"Outlet"fromtheboundaryconditionlist.

#設(shè)置壓力出口

Choose"PressureOutlet"astheboundarytype.

#設(shè)置壓力值

Setthestaticpressuretotheatmosphericpressure.3.1.3壁面邊界條件壁面邊界條件通常設(shè)置為無滑移條件，即壁面處的流體速度為零。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，旋轉(zhuǎn)壁面的設(shè)置需要特別注意，確保其旋轉(zhuǎn)速度正確。#ANSYSFluent命令行示例：設(shè)置壁面邊界條件

#選擇壁面邊界

Select"Wall"fromtheboundaryconditionlist.

#設(shè)置無滑移條件

Choose"NoSlip"asthewallcondition.

#設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度

Ifthewallisrotating,settherotationalvelocitybasedontheimpeller'srotation.3.2設(shè)置旋轉(zhuǎn)域參數(shù)旋轉(zhuǎn)域的設(shè)置是旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析的核心，它涉及到旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)軸方向、旋轉(zhuǎn)參考幀等參數(shù)的定義。3.2.1旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度是旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析中最基本的參數(shù)，它決定了流體在旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)。#ANSYSFluent命令行示例：設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度

#打開旋轉(zhuǎn)域設(shè)置界面

Define>Models>RotatingReferenceFrame...

#選擇旋轉(zhuǎn)域

Selecttherotatingdomain.

#設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度

Settherotationalvelocitytothespecifiedvalue.3.2.2旋轉(zhuǎn)軸方向設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸方向的設(shè)置確保了旋轉(zhuǎn)方向的正確性。在ANSYSFluent中，可以通過定義旋轉(zhuǎn)軸的起點(diǎn)和終點(diǎn)來確定旋轉(zhuǎn)軸的方向。#ANSYSFluent命令行示例：設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸方向

#設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸起點(diǎn)和終點(diǎn)

Settheaxisofrotationbyspecifyingthestartandendpointsoftheaxis.

#確認(rèn)旋轉(zhuǎn)軸方向

Verifythatthedirectionoftheaxisiscorrectbasedontheimpeller'srotation.3.2.3旋轉(zhuǎn)參考幀設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考幀的設(shè)置對于處理旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的相對運(yùn)動非常重要。在旋轉(zhuǎn)域中，流體的運(yùn)動是相對于旋轉(zhuǎn)參考幀的。#ANSYSFluent命令行示例：設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考幀

#打開旋轉(zhuǎn)參考幀設(shè)置界面

Define>Models>RotatingReferenceFrame...

#選擇旋轉(zhuǎn)參考幀

Selecttherotatingreferenceframeforthedomain.

#設(shè)置旋轉(zhuǎn)參數(shù)

Settherotationalparametersincludingtherotationspeedandaxisdirection.3.2.4滑移網(wǎng)格設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，滑移網(wǎng)格技術(shù)用于處理旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間的接口。這確保了流體在不同域之間的連續(xù)流動。#ANSYSFluent命令行示例：設(shè)置滑移網(wǎng)格

#打開滑移網(wǎng)格設(shè)置界面

Mesh>Zones>Interface...

#選擇滑移網(wǎng)格接口

Select"SlidingMesh"astheinterfacetype.

#設(shè)置旋轉(zhuǎn)域與靜止域的連接

Connecttherotatingdomaintothestationarydomainusingtheslidingmeshinterface.通過以上步驟，我們可以詳細(xì)地定義邊界條件和設(shè)置旋轉(zhuǎn)域參數(shù)，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析提供準(zhǔn)確的模擬條件。在實(shí)際操作中，這些設(shè)置需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)參數(shù)和流體特性進(jìn)行調(diào)整，以獲得最接近實(shí)際情況的模擬結(jié)果。4ANSYSFluent：求解器選擇與初始化4.1選擇合適的求解器在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析時，選擇正確的求解器至關(guān)重要。ANSYSFluent提供了多種求解器，包括壓力基求解器和密度基求解器，每種求解器都有其適用的場景和優(yōu)勢。4.1.1壓力基求解器壓力基求解器適用于大多數(shù)流體動力學(xué)問題，包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的流體流動。它基于SIMPLE算法，通過迭代求解壓力和速度場，適用于低速到跨音速流動。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析中，如果流體速度遠(yuǎn)低于音速，壓力基求解器是一個理想的選擇。4.1.2密度基求解器密度基求解器更適合處理高速流動，如超音速或激波問題。它基于Euler或Roe算法，能夠快速捕捉到流場中的激波和高梯度區(qū)域。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，如果存在高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的局部超音速流動，或者需要分析激波效應(yīng)，密度基求解器將提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。4.1.3選擇指南低速流動：選擇壓力基求解器。高速流動：選擇密度基求解器。旋轉(zhuǎn)機(jī)械：通常情況下，壓力基求解器足以滿足需求，但在特定條件下（如激波存在），可能需要考慮密度基求解器。4.2初始化求解過程初始化求解過程是確保模擬穩(wěn)定性和收斂性的關(guān)鍵步驟。在ANSYSFluent中，可以通過以下幾種方式初始化求解：使用默認(rèn)值：Fluent提供了基于問題類型的默認(rèn)初始條件，如溫度、壓力和速度。導(dǎo)入初始條件：從其他模擬或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)中導(dǎo)入初始條件，以提高求解的準(zhǔn)確性。使用前一次迭代的結(jié)果：如果正在進(jìn)行連續(xù)的模擬，可以使用前一次迭代的結(jié)果作為初始條件。4.2.1示例：使用默認(rèn)值初始化在ANSYSFluent中，可以通過GUI或TUI（文本用戶界面）來設(shè)置初始條件。以下是一個使用TUI初始化求解過程的示例：#設(shè)置初始條件

solve#進(jìn)入求解設(shè)置

initialize#初始化求解

initialize#使用默認(rèn)值初始化4.2.2示例：導(dǎo)入初始條件如果需要從外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入初始條件，可以使用以下命令：#導(dǎo)入初始條件

solve

initialize

profile#選擇從文件導(dǎo)入

read-profile#讀取文件

"initial_conditions.dat"#指定數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件initial_conditions.dat應(yīng)包含網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和對應(yīng)的初始條件值，格式如下：#xyzTPUxUyUz

0.00.00.0300.0101325.00.00.00.0

0.10.00.0300.0101325.00.00.00.0

...4.2.3示例：使用前一次迭代的結(jié)果如果正在進(jìn)行連續(xù)的模擬，可以使用前一次迭代的結(jié)果作為初始條件，以加速收斂：#使用前一次迭代的結(jié)果初始化

solve

initialize

initialize-from-case

"previous_case.fl"4.2.4總結(jié)選擇合適的求解器和正確初始化求解過程是旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析中不可忽視的步驟。通過理解不同求解器的適用范圍和掌握初始化方法，可以顯著提高模擬的效率和準(zhǔn)確性。請注意，上述代碼示例是在假設(shè)用戶熟悉ANSYSFluent的TUI命令行界面的基礎(chǔ)上給出的。在實(shí)際操作中，用戶應(yīng)根據(jù)具體問題和軟件版本進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。5ANSYSFluent:旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析教程5.1求解與后處理5.1.1運(yùn)行求解在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析時，運(yùn)行求解是關(guān)鍵步驟之一。ANSYSFluent提供了多種求解器設(shè)置，以適應(yīng)不同類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵等。以下是如何在Fluent中設(shè)置并運(yùn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析的求解過程：選擇求解器類型：首先，確保選擇了適合旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析的求解器。對于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，使用壓力基求解器是合適的。定義旋轉(zhuǎn)區(qū)域：在Fluent中，需要定義旋轉(zhuǎn)區(qū)域，這通常是機(jī)械的旋轉(zhuǎn)部分。通過“Define”菜單下的“CellZones”選項(xiàng)，選擇旋轉(zhuǎn)區(qū)域并設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度。Define->CellZones->Conditions設(shè)置旋轉(zhuǎn)條件：在“CellZonesConditions”對話框中，選擇旋轉(zhuǎn)區(qū)域，然后在“Type”下拉菜單中選擇“Rotating”。在“AngularVelocity”字段中輸入旋轉(zhuǎn)速度。網(wǎng)格接口設(shè)置：對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，通常需要設(shè)置網(wǎng)格接口，以確保旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的正確數(shù)據(jù)交換。這可以通過“Define”菜單下的“Interface”選項(xiàng)完成。Define->Interface->Zones求解控制：在“Solve”菜單下，可以設(shè)置求解控制參數(shù)，如時間步長、迭代次數(shù)等。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，通常使用穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)求解。Solve->Controls->Time運(yùn)行求解：最后，通過“Solve”菜單下的“RunCalculation”選項(xiàng)，開始求解過程。Solve->RunCalculation5.1.2結(jié)果可視化與分析完成求解后，結(jié)果的可視化與分析是理解流體行為和機(jī)械性能的重要步驟。Fluent提供了豐富的后處理工具，幫助用戶分析數(shù)據(jù)。結(jié)果可視化：使用Fluent的“Adapt”和“Display”菜單，可以生成流線、等值面、剪切面等圖形，直觀展示流體流動情況。Adapt->Iso-Surface

Display->Contours數(shù)據(jù)提?。和ㄟ^“Report”菜單，可以提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如壓力、速度、溫度等，進(jìn)行定量分析。Report->SurfaceIntegrals

Report->Fluxes自定義后處理腳本：Fluent支持使用自定義腳本進(jìn)行更復(fù)雜的后處理。以下是一個使用FluentUDF(User-DefinedFunction)提取特定區(qū)域平均速度的示例腳本：#include"udf.h"

DEFINE_REPORT(report_avg_vel,rp,thread,i)

{

realavg_vel;

face_tf;

real*vel;

realarea;

realtotal_area=0.0;

realtotal_vel=0.0;

for(f=F_FIRST_THREAD(rp,thread);f!=F_NULL;f=F_NEXT_THREAD(rp,f))

{

vel=F_VEL(f);

area=F_AREA(f);

total_vel+=vel[0]*area[0]+vel[1]*area[1]+vel[2]*area[2];

total_area+=area[0]+area[1]+area[2];

}

avg_vel=total_vel/total_area;

printf("Averagevelocityintheregionis:%f\n",avg_vel);

}在Fluent中，需要將此腳本編譯并鏈接到求解器，然后在“Report”菜單下選擇“UserDefined”來運(yùn)行此報(bào)告。結(jié)果動畫：對于瞬態(tài)求解，可以創(chuàng)建動畫來展示隨時間變化的流體行為。這在分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動態(tài)性能時特別有用。性能指標(biāo)計(jì)算：分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械時，計(jì)算性能指標(biāo)，如效率、功率、扭矩等，是常見的需求。這些可以通過Fluent的“Report”菜單下的“CustomFieldFunctions”選項(xiàng)自定義計(jì)算。通過以上步驟，可以有效地在ANSYSFluent中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析的求解與后處理，從而深入理解機(jī)械的流體動力學(xué)特性。6ANSYSFluent:高級功能在旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體分析中的應(yīng)用6.1多參考幀(MRF)模型6.1.1原理多參考幀(MRF)模型是ANSYSFluent中用于模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流體流動和傳熱的一種方法。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵等，流體在旋轉(zhuǎn)和靜止部件之間流動，這導(dǎo)致了流場的復(fù)雜性。MRF模型通過定義旋轉(zhuǎn)和靜止參考幀，允許在單個網(wǎng)格上同時模擬旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域，從而簡化了計(jì)算過程。6.1.2內(nèi)容MRF模型的核心在于它能夠處理旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域之間的相對運(yùn)動，而不需要網(wǎng)格的動態(tài)變形。在MRF模型中，旋轉(zhuǎn)區(qū)域被視為在靜止參考幀中以虛擬速度旋轉(zhuǎn)，這樣就可以在靜止網(wǎng)格上求解旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的流場。MRF模型適用于旋轉(zhuǎn)速度較低，旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域之間的相對運(yùn)動不引起顯著的網(wǎng)格變形的情況。6.1.3示例假設(shè)我們正在分析一個帶有旋轉(zhuǎn)葉片的泵，其中泵殼是靜止的，而葉片區(qū)域以1000RPM的速度旋轉(zhuǎn)。在Fluent中設(shè)置MRF模型的步驟如下：定義旋轉(zhuǎn)區(qū)域：首先，需要在Fluent的Mesh面板中定義旋轉(zhuǎn)區(qū)域。這通常涉及到選擇包含旋轉(zhuǎn)葉片的網(wǎng)格單元。設(shè)置MRF模型：在Solution面板中，選擇“DefineModels”下的“MRF”，然后選擇“Rotating”作為MRF模型類型。接下來，指定旋轉(zhuǎn)軸的方向和旋轉(zhuǎn)速度。求解設(shè)置：在Solution面板中，選擇“SolutionMethods”，然后在“Momentum”下選擇“MRF”作為求解方法。這確保了在旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的流場計(jì)算正確處理了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。初始化和求解：初始化計(jì)算域，設(shè)置邊界條件，然后開始求解。Fluent將自動處理旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域之間的相對運(yùn)動。#Fluent命令行示例：設(shè)置MRF模型

#打開Fluent并讀取網(wǎng)格文件

fluent&

#定義模型

DefineModels...

MRF:Rotating

Rotationaxis:Z

Rotationspeed:1000RPM

#設(shè)置求解方法

SolutionMethods...

Momentum:MRF

#初始化計(jì)算域

Initialize...

Initialize

#設(shè)置邊界條件

BoundaryConditions...

#設(shè)置入口、出口和壁面條件

#開始求解

Solve...

Monitors:Residuals

Write:Checkpoint

RunCalculation:1000iterations6.2滑移網(wǎng)格技術(shù)6.2.1原理滑移網(wǎng)格技術(shù)是另一種在ANSYSFluent中用于模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流體流動的方法，尤其適用于旋轉(zhuǎn)速度較高或旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域之間存在顯著相對運(yùn)動的情況?；凭W(wǎng)格通過在旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域之間定義一個滑移界面，允許網(wǎng)格在這些區(qū)域之間相對滑動，從而模擬了實(shí)際的機(jī)械運(yùn)動。6.2.2內(nèi)容滑移網(wǎng)格技術(shù)的關(guān)鍵在于滑移界面的設(shè)置。在滑移界面上，F(xiàn)luent通過特殊的邊界條件處理旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域之間的流體交換，確保了流體連續(xù)性和動量守恒。滑移網(wǎng)格技術(shù)適用于需要精確模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流體動力學(xué)和傳熱過程的復(fù)雜情況。6.2.3示例考慮一個高速旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)，其中渦輪葉片和渦輪殼體之間存在顯著的相對運(yùn)動。在Fluent中設(shè)置滑移網(wǎng)格的步驟如下：定義滑移界面：在Mesh面板中，選擇包含旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域的網(wǎng)格單元，并定義它們之間的滑移界面。設(shè)置滑移網(wǎng)格模型：在Solution面板中，選擇“DefineModels”下的“SlidingMesh”，然后指定滑移界面的類型和旋轉(zhuǎn)速度。求解設(shè)置：在Solution面板中，選擇“SolutionMethods”，然后在“Momentum”下選擇“SlidingMesh”作為求解方法。這確保了在滑移界面上的流體交換被正確處理。初始化和求解：初始化計(jì)算域，設(shè)置邊界條件，然后開始求解。Fluent將自動處理滑移界面的流體交換和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。#Fluent命令行示例：設(shè)置滑移網(wǎng)格模型

#打開Fluent并讀取網(wǎng)格文件

fluent&

#定義模型

DefineModels...

SlidingMesh:On

Interface:TurbineBlade-TurbineShell

Rotationaxis:Z

Rotationspeed:5000RPM

#設(shè)置求解方法

SolutionMethods...

Momentum:SlidingMesh

#初始化計(jì)算域

Initialize...

Initialize

#設(shè)置邊界條件

BoundaryConditions...

#設(shè)置入口、出口和壁面條件

#開始求解

Solve...

Monitors:Residuals

Write:Checkpoint

RunCalculation:1000iterations通過以上步驟，可以有效地使用ANSYSFluent的高級功能來分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的流體動力學(xué)和傳熱過程，無論是使用MRF模型還是滑移網(wǎng)格技術(shù)。這些技術(shù)的選擇取決于具體的應(yīng)用場景和旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特性。7離心泵流體分析7.1離心泵工作原理離心泵是一種常見的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，通過旋轉(zhuǎn)葉輪將動能轉(zhuǎn)換為流體的壓力能。當(dāng)泵啟動時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，流體在離心力的作用下被拋向葉輪邊緣，同時在葉輪中心形成低壓區(qū)，吸引流體進(jìn)入。流體在葉輪邊緣被排出，進(jìn)入泵殼，最終被輸送到系統(tǒng)中。7.2ANSYSFluent分析流程7.2.1幾何模型與網(wǎng)格劃分7.2.1.1幾何模型離心泵的幾何模型通常包括葉輪、泵殼、吸入室和排出室。使用CAD軟件創(chuàng)建模型，確保模型的準(zhǔn)確性和細(xì)節(jié)。7.2.1.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是CFD分析的關(guān)鍵步驟。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，推薦使用混合網(wǎng)格，即在葉輪區(qū)域使用六面體網(wǎng)格，在泵殼區(qū)域使用四面體網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度和效率。7.2.2設(shè)置邊界條件與物理模型7.2.2.1邊界條件入口：通常設(shè)置為速度入口，輸入流體的平均速度。出口：可以設(shè)置為壓力出口，指定背壓。葉輪：設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，輸入旋轉(zhuǎn)速度。泵殼：設(shè)置為靜止壁面。7.2.2.2物理模型湍流模型：選擇適合的湍流模型，如k-ε或k-ωSST。多相流模型：如果分析包含氣液兩相，啟用多相流模型。旋轉(zhuǎn)參考框架：啟用旋轉(zhuǎn)參考框架，以準(zhǔn)確模擬葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。7.2.3初始條件與求解設(shè)置7.2.3.1初始條件設(shè)置流體的初始溫度、壓力和速度，確保與邊界條件一致。7.2.3.2求解設(shè)置求解器類型：選擇穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)求解器，取決于分析需求。求解控制：設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)，如殘差閾值。時間步長：對于瞬態(tài)分析，設(shè)置合適的時間步長。7.2.4后處理與結(jié)果分析7.2.4.1后處理使用ANSYSFluent的后處理工具，如CFD-Post，可視化流場、壓力分布和速度矢量。7.2.4.2結(jié)果分析效率計(jì)算：通過計(jì)算泵的理論和實(shí)際流量，評估泵的效率。壓力損失：分析流體通過泵時的壓力損失，識別可能的改進(jìn)區(qū)域。流體動力學(xué)：檢查流體在泵內(nèi)的流動模式，確保沒有渦流或死區(qū)。7.3示例：離心泵流體分析###幾何模型與網(wǎng)格劃分示例

####幾何模型

使用ANSYSWorkbench中的DesignModeler創(chuàng)建離心泵的幾何模型。

####網(wǎng)格劃分

在Mesh模塊中，選擇“Tet/Hybrid”網(wǎng)格類型，對葉輪和泵殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

###設(shè)置邊界條件與物理模型示例

####邊界條件

-入口：速度入口，速度為5m/s。

-出口：壓力出口，背壓為1atm。

-葉輪：旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度為3000rpm。

-泵殼：靜止壁面。

####物理模型

-湍流模型：k-ωSST。

-多相流模型：關(guān)閉。

-旋轉(zhuǎn)參考框架：啟用，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸。

###初始條件與求解設(shè)置示例

####初始條件

-溫度：293K。

-壓力：1atm。

-速度：0m/s。

####求解設(shè)置

-求解器類型：穩(wěn)態(tài)。

-求解控制：殘差閾值為1e-6。

-時間步長：不適用，因?yàn)檫x擇的是穩(wěn)態(tài)求解器。

###后處理與結(jié)果分析示例

####后處理

使用“Contour”工具可視化泵殼內(nèi)的壓力分布。

####結(jié)果分析

-效率計(jì)算：通過計(jì)算泵的理論和實(shí)際流量，評估泵的效率。

-壓力損失：分析流體通過泵時的壓力損失。

-流體動力學(xué)：檢查流體在泵內(nèi)的流動模式。7.3.1渦輪機(jī)內(nèi)部流場模擬渦輪機(jī)內(nèi)部流場的模擬對于理解其性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。渦輪機(jī)的流體分析通常涉及高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜條件，因此需要精確的模型和計(jì)算設(shè)置。7.3.1.1幾何模型與網(wǎng)格劃分渦輪機(jī)的幾何模型包括葉片、輪轂、外殼和導(dǎo)向葉片。網(wǎng)格劃分時，葉片區(qū)域需要高密度網(wǎng)格以捕捉復(fù)雜的流動特征。7.3.1.2設(shè)置邊界條件與物理模型入口：設(shè)置為總壓入口，輸入高溫高壓條件。出口：設(shè)置為總壓出口，通常為大氣壓。葉片與輪轂：設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，輸入旋轉(zhuǎn)速度。外殼：設(shè)置為靜止壁面。7.3.1.3初始條件與求解設(shè)置初始條件：設(shè)置流體的初始溫度、壓力和速度。求解器類型：選擇瞬態(tài)求解器，以模擬渦輪機(jī)的動態(tài)行為。時間步長：設(shè)置為0.001秒，確保計(jì)算的穩(wěn)定性。7.3.1.4后處理與結(jié)果分析溫度分布：分析葉片和輪轂的溫度分布，評估熱應(yīng)力。流體動力學(xué)：檢查流體在渦輪機(jī)內(nèi)的流動模式，確保沒有湍流或分離。效率計(jì)算：通過計(jì)算渦輪機(jī)的理論和實(shí)際功率，評估其效率。7.4示例：渦輪機(jī)內(nèi)部流場模擬###幾何模型與網(wǎng)格劃分示例

####幾何模型

使用ANSYSWorkbench中的DesignModeler創(chuàng)建渦輪機(jī)的幾何模型。

####網(wǎng)格劃分

在Mesh模塊中，選擇“Tet/Hybrid”網(wǎng)格類型，對葉片和輪轂進(jìn)行高密度網(wǎng)格劃分。

###設(shè)置邊界條件與物理模型示例

####邊界條件

-入口：總壓入口，總壓為10atm，溫度為1000K。

-出口：總壓出口，背壓為1atm。

-葉片與輪轂：旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度為10000rpm。

-外殼：靜止壁面。

####物理模型

-湍流模型：k-ε。

-多相流模型：關(guān)閉。

-旋轉(zhuǎn)參考框架：啟用，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸。

###初始條件與求解設(shè)置示例

####初始條件

-溫度：1000K。

-壓力：1atm。

-速度：0m/s。

####求解設(shè)置

-求解器類型：瞬態(tài)。

-求解控制：殘差閾值為1e-6。

-時間步長：0.001秒。

###后處理與結(jié)果分析示例

####后處理

使用“Contour”工具可視化渦輪機(jī)內(nèi)部的溫度分布。

####結(jié)果分析

-溫度分布：評估葉片和輪轂的溫度分布，確保材料不會過熱。

-流體動力學(xué)：檢查流體在渦輪機(jī)內(nèi)的流動模式，