基于OpenFOAM的多旋转部件三维流场模拟方法研究

刘子君

(河北石油职业技术大学 机械工程系，河北 承德 067000)

在机械行业中，多部件旋转的设备应用广泛，多个部件旋转导致设备内部的整体流场复杂，比如：双螺杆旋转导致螺杆间隙流体受到两个螺杆旋转的影响，使流体的压力场和温度场纷纷发生改变；无人机多旋翼旋转加上机身对流场干涉形成“喷泉效应”[1];多轴搅拌器的多个搅拌桨同时旋转，设备内流体流动复杂等。针对以上情况，利用传统的计算分析方法很难得到满意的结果。随着工程设计的精细化发展，多部件旋转的完整模拟结果越来越受到重视，通过模拟结果，设计者可以验证旋转部件的布置是否合理，旋转部件的数量是否合适等。本文采用OpenFOAM[2]作为计算平台，选取一种多部件旋转模型进行模拟计算，探索工程实用性。OpenFOAM是基于有限体积法完全由C++编写的面向对象的数学运算类库，代码完全开源。经过多年的使用和完善，目前已经包含大量的求解器和接口工具，具有很高的应用性。在众多领域都已经在积极应用OpenFOAM，构建适合的模拟计算平台。

1 实验模型及网格划分

本文以多轴搅拌器作为模拟实验模型，其中包括：带有进出口的搅拌釜，轴线竖直与搅拌釜轴线平行的是主搅拌桨，偏心设置；配备两个副搅拌桨，其中一个轴线水平，与主搅拌桨轴线垂直，是水平副搅拌桨；另外一个放置在搅拌釜入口处，其轴线与主搅拌桨轴线成45°夹角，是倾斜搅拌桨。

应用snappyHexMesh对以上模型进行网格划分并局部细化，采用六面体结构化网格，旋转交界面采用任意交界面法(AMI)划分，如图1(a)、图(b)。任意网格界面元法AMI(arbitrary mesh interface)本质上是一种滑移网格方法，可用于求解非定常流场的问题[3]。从图1(c)网格划分截面图中可以看出，在近搅拌桨壁面处网格逐渐细化，便于动态壁面的计算，同时建立AMI滑移主次界面。

2 流体模型与实验工具

本文流体模型设定为单相非稳态不可压缩湍流流动。计算采用k-ω SST[4]模型通过剪应力输运(shear stress transport, SST)公式结合了k -ε模型以及标准k -ω模型的优点，即：在近壁面处采用k -ω 模型，在远场的自由流动中采用k -ε模型。

采用OpenFOAM自带的网格划分工具snappyHexMesh对建立的模型进行结构化网格划分[5].利用pimpleFoam求解器自动调节时间步长，结合并行计算方法[6]完成模拟计算，计算工具见表1。

表1 计算工具

3 模拟实验计算

每个搅拌桨选择转速50 rpm进行模拟计算。搅拌釜内液体流动的流线如图2，可以看出当3个搅拌桨同时工作时，搅拌釜内的流场变得很复杂。桨叶处的液体流速相对较高，主搅拌桨旋转带动釜内大部分区域流体流动，水平副搅拌桨旋转增强搅拌效果，倾斜副搅拌桨在釜入口处对流体进行预搅拌，同时可以适当增强搅拌釜右侧区域的流体流动，避免出现死角，3个搅拌桨推动的流体在釜内流动交汇。如此复杂的流动，如果仅对单一部件进行模拟计算是无法完成的。基于OpenFOAM对搅拌釜及其3个搅拌桨建立整体模型，经过模拟计算就可以得到完整的流体流场，计算结果清晰可见。

下面在搅拌釜内选取两个截面，在计算域内选择两个截面，每个截面都涉及主搅拌桨和一个副搅拌桨，如图3(a)。因为主搅拌桨偏心设置，所以距离主搅拌桨相对较远的右侧区域内会有低流速区，加入倾斜搅拌桨进行辅助，右侧区域的低流速区得到明显改善，如图3(b)。而在图3(c)中，主副搅拌桨间黄色的相对高速区域已经发生了交汇，对平稳简单的流场造成冲击，导致搅拌桨的受力情况发生变化。不同的搅拌桨布置方案，会导致釜内流体流动发生变化，利用本模拟计算方法可以对搅拌桨布置方案进行优化。

4 结论

本文基于OpenFOAM-8.0的函数库，以多轴搅拌器作为多部件旋转模拟实验模型，通过对模型进行网格划分，模拟计算等步骤，得到的结论如下：

1)在计算域内，多部件旋转会导致域内流体流动相互碰撞交汇，使流场变得复杂，所以在条件允许的情况下，有必要进行多部件旋转的动态流体力学计算。

2)利用OpenFOAM自带的snappyHexMesh工具可以很好的完成对计算域的网格划分，在很大程度上为工程科研计算提供了一条经济高效的解决方法。

3)计算结果中流体流动清晰可见，基于OpenFOAM在多旋转部件三维流场的模拟计算方法完全可行。

4)基于OpenFOAM在多旋转部件三维流场的模拟计算结果，可以用于旋转部件的布置方案优化，本模拟计算方法有很好应用前景。