基于OpenFOAM的多旋轉(zhuǎn)部件三維流場模擬方法研究

劉子君

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

在機(jī)械行業(yè)中，多部件旋轉(zhuǎn)的設(shè)備應(yīng)用廣泛，多個部件旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的整體流場復(fù)雜，比如：雙螺桿旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致螺桿間隙流體受到兩個螺桿旋轉(zhuǎn)的影響，使流體的壓力場和溫度場紛紛發(fā)生改變；無人機(jī)多旋翼旋轉(zhuǎn)加上機(jī)身對流場干涉形成“噴泉效應(yīng)”[1];多軸攪拌器的多個攪拌槳同時旋轉(zhuǎn)，設(shè)備內(nèi)流體流動復(fù)雜等。針對以上情況，利用傳統(tǒng)的計(jì)算分析方法很難得到滿意的結(jié)果。隨著工程設(shè)計(jì)的精細(xì)化發(fā)展，多部件旋轉(zhuǎn)的完整模擬結(jié)果越來越受到重視，通過模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)者可以驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)部件的布置是否合理，旋轉(zhuǎn)部件的數(shù)量是否合適等。本文采用OpenFOAM[2]作為計(jì)算平臺，選取一種多部件旋轉(zhuǎn)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，探索工程實(shí)用性。OpenFOAM是基于有限體積法完全由C++編寫的面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)運(yùn)算類庫，代碼完全開源。經(jīng)過多年的使用和完善，目前已經(jīng)包含大量的求解器和接口工具，具有很高的應(yīng)用性。在眾多領(lǐng)域都已經(jīng)在積極應(yīng)用OpenFOAM，構(gòu)建適合的模擬計(jì)算平臺。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图熬W(wǎng)格劃分

本文以多軸攪拌器作為模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲邪ǎ簬в羞M(jìn)出口的攪拌釜，軸線豎直與攪拌釜軸線平行的是主攪拌槳，偏心設(shè)置；配備兩個副攪拌槳，其中一個軸線水平，與主攪拌槳軸線垂直，是水平副攪拌槳；另外一個放置在攪拌釜入口處，其軸線與主攪拌槳軸線成45°夾角，是傾斜攪拌槳。

應(yīng)用snappyHexMesh對以上模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并局部細(xì)化，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)交界面采用任意交界面法(AMI)劃分，如圖1(a)、圖(b)。任意網(wǎng)格界面元法AMI(arbitrary mesh interface)本質(zhì)上是一種滑移網(wǎng)格方法，可用于求解非定常流場的問題[3]。從圖1(c)網(wǎng)格劃分截面圖中可以看出，在近攪拌槳壁面處網(wǎng)格逐漸細(xì)化，便于動態(tài)壁面的計(jì)算，同時建立AMI滑移主次界面。

2 流體模型與實(shí)驗(yàn)工具

本文流體模型設(shè)定為單相非穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流動。計(jì)算采用k-ω SST[4]模型通過剪應(yīng)力輸運(yùn)(shear stress transport, SST)公式結(jié)合了k -ε模型以及標(biāo)準(zhǔn)k -ω模型的優(yōu)點(diǎn)，即：在近壁面處采用k -ω 模型，在遠(yuǎn)場的自由流動中采用k -ε模型。

采用OpenFOAM自帶的網(wǎng)格劃分工具snappyHexMesh對建立的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[5].利用pimpleFoam求解器自動調(diào)節(jié)時間步長，結(jié)合并行計(jì)算方法[6]完成模擬計(jì)算，計(jì)算工具見表1。

表1 計(jì)算工具

3 模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算

每個攪拌槳選擇轉(zhuǎn)速50 rpm進(jìn)行模擬計(jì)算。攪拌釜內(nèi)液體流動的流線如圖2，可以看出當(dāng)3個攪拌槳同時工作時，攪拌釜內(nèi)的流場變得很復(fù)雜。槳葉處的液體流速相對較高，主攪拌槳旋轉(zhuǎn)帶動釜內(nèi)大部分區(qū)域流體流動，水平副攪拌槳旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)攪拌效果，傾斜副攪拌槳在釜入口處對流體進(jìn)行預(yù)攪拌，同時可以適當(dāng)增強(qiáng)攪拌釜右側(cè)區(qū)域的流體流動，避免出現(xiàn)死角，3個攪拌槳推動的流體在釜內(nèi)流動交匯。如此復(fù)雜的流動，如果僅對單一部件進(jìn)行模擬計(jì)算是無法完成的。基于OpenFOAM對攪拌釜及其3個攪拌槳建立整體模型，經(jīng)過模擬計(jì)算就可以得到完整的流體流場，計(jì)算結(jié)果清晰可見。

下面在攪拌釜內(nèi)選取兩個截面，在計(jì)算域內(nèi)選擇兩個截面，每個截面都涉及主攪拌槳和一個副攪拌槳，如圖3(a)。因?yàn)橹鲾嚢铇脑O(shè)置，所以距離主攪拌槳相對較遠(yuǎn)的右側(cè)區(qū)域內(nèi)會有低流速區(qū)，加入傾斜攪拌槳進(jìn)行輔助，右側(cè)區(qū)域的低流速區(qū)得到明顯改善，如圖3(b)。而在圖3(c)中，主副攪拌槳間黃色的相對高速區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了交匯，對平穩(wěn)簡單的流場造成沖擊，導(dǎo)致攪拌槳的受力情況發(fā)生變化。不同的攪拌槳布置方案，會導(dǎo)致釜內(nèi)流體流動發(fā)生變化，利用本模擬計(jì)算方法可以對攪拌槳布置方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文基于OpenFOAM-8.0的函數(shù)庫，以多軸攪拌器作為多部件旋轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模擬計(jì)算等步驟，得到的結(jié)論如下：

1)在計(jì)算域內(nèi)，多部件旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致域內(nèi)流體流動相互碰撞交匯，使流場變得復(fù)雜，所以在條件允許的情況下，有必要進(jìn)行多部件旋轉(zhuǎn)的動態(tài)流體力學(xué)計(jì)算。

2)利用OpenFOAM自帶的snappyHexMesh工具可以很好的完成對計(jì)算域的網(wǎng)格劃分，在很大程度上為工程科研計(jì)算提供了一條經(jīng)濟(jì)高效的解決方法。

3)計(jì)算結(jié)果中流體流動清晰可見，基于OpenFOAM在多旋轉(zhuǎn)部件三維流場的模擬計(jì)算方法完全可行。

4)基于OpenFOAM在多旋轉(zhuǎn)部件三維流場的模擬計(jì)算結(jié)果，可以用于旋轉(zhuǎn)部件的布置方案優(yōu)化，本模擬計(jì)算方法有很好應(yīng)用前景。