【学习干货】基于Star-ccm+的旋转水轮机数值模拟

   

   

作者：段老师

大连理工海洋工程博士 ，主要做多相流体动力学和波物耦合响应相关研究。

   

   

一、基于Star-ccm+的旋转水轮机数值模拟

导读：STAR-CCM+是一款当前比较流行的计算流体力学软件，该软件在旋转机械领域具有很大的应用场景，本文基于STAR-CCM+软件中的运动参考系的方法来实现旋转水轮机的数值模拟，过程涉及变参考系旋转实现方法，基于VOF方法的水力空化模拟方法以及相关后处理方法等。

1.计算模型介绍    

本文选用的模型为官方教程的旋转水轮风扇模型，模型主要由两部分组成，分别为实现旋转的旋转区域以及非旋转的静止区域，其中静止区域设置有入口以及出口，液体从模型上方的入口流入，经水轮叶片的带动后，液体从出口流出。水轮叶片围绕旋转轴进行转动，其中水轮叶片共12片。

2.区域分配与网格划分

计算过程中将水轮模型分为了旋转区域与静止区域，旋转区域与静止区域之间利用内部交界面进行流场求解信息交互，创建交界面方式为同时选中静止区域以及旋转区域中的交互边界，右击选择创建界面。网格划分采用外部网格划分，划分完成的网格通过导入体网格选项导入STAR-CCM+，划分网格时需要保证交界面网格网格尺寸相差不大，旋转区域网格与静止区域网格可以完成数据映射交互。

图5网格划分

3.空化求解设置与物理模型选择    

本文空化涉及两相介质，分别为水相与水蒸气相，在进行空化设置之前需要选用欧拉多相流模型并新建两相介质并设置各自物理属性，完成两相新建后创建多相互作用模型，具体模型选择VOF-VOF相间相互作用-多相材料模型，指定水相为主相，水蒸气相为次相，完成主次相设置后选择Schnerr-Sauer空化模型，完成空化设置。本文求解选用k-e湍流模型，具体模型选择见图6。

图6空化设置以及物理模型选择

4.旋转指定    

本文旋转实现方式选择移动参考系方法，为旋转区域创建移动参考系，利用工具-参考系节点中创建和管理参考系，创建好参考系后，将其应用于旋转区域。其中旋转参数在工具-参考坐标系-属性中进行设置，轴方向即旋转轴方向，轴原点取轴线上的任意点，旋转速率指定定值，也可以利用场函数的功能指定为变旋转速率。

图7旋转参考系指定

5.边界条件设置    

旋转机械中将入口设置为速度入口，将出口设置为压力出口，其它均为壁面，其中通过速度入口指定入口流速，设定流入液体流量，通过压力出口流出液体，一般压力设定为环境压力。STAR-CCM+对所有壁面边界的默认旋转设置适用于它们相对于网格保持静止的情况，即静止区域的壁面边界都默认设置是零旋转，而旋转区域的壁面边界默认设置是2000 rpm旋转。因此每个区域中都有一个壁面边界不适用原设置：流体静止区域中的轴边界，该边界旋转，因为它是带动叶片旋转的轴的一部分，所以将其切向速度指定为旋转速率，并将壁面相对旋转设定为与旋转运动一致的旋转速率；旋转区域中的壁面边界：该边界静止不动，因为壁面是外壳体的一部分，所以将其切向速度指定为固定。

图8边界条件设置

6.后处理效果    

旋转机械处理效果中，流场速度矢量与流场流线均为有效的流场表征方法，其分别通过STAR-CCM+场景节点中的矢量场景以及流场场景进行设定，其中流线场景设定需要提前在衍生零部件中创建流线衍生零部件。