Blogginlägg Volupe

Hur man ställer in Rigid Body Motion (RBM) och Moving Reference Frame (MRF) simulations i Simcenter STAR-CCM+

I veckans blogginlägg kommer vi att visa två olika tillvägagångssätt för att modellera ett rotationsflöde i Simcenter STAR-CCM+. Vi kommer att gå igenom hur man implementerar RBM-metoden (Rigid Body Motion) och MRF-metoden (Moving Reference Frame). Exempelfallet i det här blogginlägget är ett enkelt fläktdrivet flöde i en cylindrisk kanal. Domänen modelleras med ett stagnationsinlopp och ett tryckutlopp och fläkten snurrar med 120 varv per minut.

Båda tillvägagångssätten kräver användning av fluid/fluid-gränssnitt som skiljer den roterande regionen från den stationära regionen (åtminstone för att undvika kontinuerlig ommaskning för RBM-metoden). I det här exemplet har vi placerat en gränssnittsyta precis uppströms fläktgeometrin och en annan gränssnittsyta precis nedströms. Detta innebär att vi har två fluid-regioner, en stationär och en roterande, som är helt åtskilda från varandra genom dessa gränssnitt.

Rörelser med styva kroppar (RBM)

Metoden med stelkroppsrörelse är kanske den enklaste att förstå, eftersom den innebär att fläktgeometrin faktiskt roterar. Som sådan är den också den mest fysiskt korrekta representationen för att lösa ett roterande flöde. Som en följd av den fysiska rörelsen är den dock också i sig transient och utan tvekan den mest numeriskt komplicerade och beräkningsmässigt dyra metoden för roterande flöden.

Inställning av den fysiska rörelsen

För att ställa in den fysiska rörelsen som vi ska använda i RBM-metoden navigerar vi ner till mappen "Tools" i simuleringsträdet, högerklickar på "Motions" och skapar en ny rotationsrörelse.

Vi anger sedan egenskaperna för rotationsaxeln för rörelsen och även rotationshastigheten.

Rotationsrörelsen som vi just skapade kan nu användas i regioninställningarna för att införa en stel kroppsrörelse i vår rotationsdomän. För att göra detta navigerar vi till regionen "Fluid Rotational" och flyttar till mappen "Physics Values". Under "Motion Specification" byter vi sedan rörelseingång från "Stationary" till "Rotation". Observera att fysikkontinuumet måste vara transient (dvs. instabilt) för att rotationsrörelsen ska kunna visas som ett alternativ.

Vi har nu specificerat en rotationsrörelse för hela området "Fluid Rotational". Detta innebär att den omgivande kanalväggen som omsluter fläkten i detta område också kommer att rotera, om vi inte anger något annat. I det här fallet vill vi att kanalväggen i den roterande regionen ska vara stationär medan fläkten snurrar. För att uppnå detta flyttar vi till mappen "Boundaries" och till "Physics Conditions" för gränsen "Fluid Rotational.Wall". Här kan vi ändra gränsens "Reference Frame Specification" från Region Reference Frame till Lab Frame. Genom att göra detta kan Simcenter STAR-CCM+ behandlar gränsen som om den vore stationär i förhållande till resten av området. Nu har vi ställt in rotationsvillkoren för vår RBM-strategi för detta fläktdrivna flöde.

MRF-metoden (Moving Reference Frame)

För fall med en konstant stel rörelse ger den rörliga referensramen möjlighet att lösa ett rotationsflöde i stationärt tillstånd, vilket ger en lösning som representerar flödets beteende i tidsmedelvärde. I många fall kan detta vara en bra kompromiss mellan noggrannhet och beräkningsarbete. I motsats till RBM-metoden hålls de "rörliga" delarna i MRF-metoden stationära och rotationseffekterna påförs numeriskt genom källtermer, vilket efterliknar effekten av en rotationsrörelse. Den relativa enkelheten och simuleringen hastighet MRF-metoden kan ofta vara användbar för att skapa en bra utgångspunkt för transient RBM simulations.

Upprättande av den roterande referensramen

För att ställa in referensramen för MRF-metoden navigerar vi återigen ner till mappen "Tools" och högerklickar på "Reference Frames". I det här fallet väljer vi att skapa en ny roterande referensram.

Precis som för RBM anger vi sedan egenskaperna för rotationsaxeln och rotationshastigheten.

I likhet med RBM är den roterande referensramen nu redo att användas i vårt rotationsområde. För att använda den navigerar vi återigen till regionen "Fluid Rotational" och går in i mappen "Physics Values". Under "Motion Specification" ändrar vi referensramen till "Rotating".

Precis som i RBM-metoden vill vi att kanalväggen i rotationsområdet ska bete sig som en stationär vägg i förhållande till fläkten. För att uppnå detta gör vi exakt samma sak som vi gjorde för rörelsen med stel kropp och går till mappen Boundaries där vi ändrar referensramen för gränsen "Fluid Rotational.Wall" från Region Reference Frame till Lab Frame. Nu har vi ställt in rotationsegenskaperna för MRF-metoden.

Resultat

Nedan visas en animation från RBM-simuleringen som visar hastighetsfältets utveckling i kanalen tillsammans med en monitorplott som visar det massflöde som genereras av fläkten. Flödesfältet når ett oscillerande tillstånd, men massflödet planar ganska snabbt ut vid cirka 0,0261 kg/s. Från inlopp till utlopp stabiliseras den totala tryckuppbyggnaden kring 7,12 Pa.

 

Om man tittar på resultaten för MRF-metoden hamnar massflödet på 0,0263 kg/s, vilket är en skillnad på cirka 0,8 % jämfört med RBM-lösningen. Den totala tryckuppbyggnaden är 7,14 Pa, eller en skillnad på 0,3 %. Sammanfattningsvis kan man konstatera att när det gäller massflöde och tryck ger den mer förenklade och mindre beräkningstunga MRF-metoden resultat med en avvikelse på mindre än 1 % från RBM:s mer fysikaliska, men dyra, representation för detta specifika fall.

Hur är det då med flödesfältet? För det första är RBM-metoden (som tidigare nämnts) i sig självt transient, vilket innebär att flödesfältet ständigt förändras i takt med fläktens rotation. Detta är naturligtvis inte fallet med MRF-metoden för stationärt tillstånd. Det faktum att fläkten inte rör sig fysiskt i MRF innebär därför att fläktgeometrin kommer att lämna statiska artefakter i flödet nedströms på grund av det hinder som geometrin utgör för flödet. Med andra ord kommer det att finnas statiska lågtryckszoner nedströms fläktbladen som alltid är i samma position, medan dessa lågtryckszoner i RBM kontinuerligt kommer att röra sig när fläktbladen rör sig. Detta är naturligtvis inte nödvändigtvis ett problem när det gäller att förutsäga massflöde eller tryckskillnad, men det är viktigt att förstå i de fall där det är av intresse att lösa effekterna nedströms, t.ex. vid forcerad konvektionskylning där det kan vara viktigt att förutsäga kylströmmarna på lämpligt sätt.

 

RBM (ovan) jämfört med MRF (nedan).

 

Med detta sagt kan vi jämföra det stationära MRF-flödesfältet (höger bild nedan) med en ögonblicksbild av RBM-flödesfältet (vänster bild nedan) där fläktpositionerna är identiska. I detta särskilda fall kan vi se att MRF verkar förutsäga det genomsnittliga flödesfältet ganska bra.

Momentant RBM-hastighetsfältHastighetsfält med MRF i stationärt tillstånd.

När ska man använda vad?

Så vilken metod ska du välja för ditt problem med roterande flöden? Kort sagt beror svaret på målet med simuleringen, projektets tidsram och de tillgängliga (beräknings)resurserna. Det finns dock några allmänna rekommendationer när det gäller fysik och typ av tillämpning. Till exempel fungerar MRF-metoden vanligtvis mycket bättre för axiella pumphjul än för radiella pumphjul. För mer information om detta har Siemens faktiskt gjort en kort sammanfattning av ämnet här. Ska jag använda rörliga referensramar eller stela kroppsrörelser för min simulering? (siemens.com).

Vi på Volupe hoppas att det här blogginlägget var till hjälp för att visa hur du kan modellera rotationsflöden i Simcenter STAR-CCM+. Om du har några frågor eller kommentarer är du alltid välkommen att skicka dem till support@volupe.com.

 

Författare

Johan Bernander, M.Sc.

support@volupe.com

+46 702 95 18 31

Fler blogginlägg

sv_SESwedish