谈一谈CFX中旋转机械稳态仿真的冻结转子和混合平面模型

 本文摘要（由AI生成）：

文章主要介绍了旋转机械的数值仿真方法，特别是针对含有运动域的仿真。CFX提供了两种解决方案，分别是Frozen Rotor和Stage。Frozen Rotor适用于流体速度远大于交界面位置的机械转动速度时，计算量最小，计算成本最低，但牺牲了一定的计算精度。Stage适用于流速和机械转动速度量级相当时，精度有所提升，但计算量大于Frozen Rotor。Stage模型与Frozen Rotor模型相比，要求更多的计算资源，计算精度有所提升，因此推荐适用Frozen Rotor 获得一个近似解作为初场数据，然后采用Stage计算方法以获得更好的计算结果。

       旋转机械的数值仿真具有诸多特殊之处，比如，旋转机械一般具有转动的转子叶轮和静止的静子叶轮，出于设计考虑往往动静叶片数不等且互为质数。

        针对含有运动域的仿真，CFX的解决方案是利用参考系运动的稳态仿真方法，对于动静叶片数不等的解决方案，在减小计算成本的前提下，动静各自取了单周期的网格，即存在了交界面数据传递的问题了，在稳态仿真时CFX时怎样解决的呢？

         稳态求解计算时，ANSYS CFX给出了两种解决方案，一是Frozen Rotor“冻结转子法”，二是Stage“级间平均法，也称混合平面法”，很多朋友在在两种方法的选择上存在很多疑惑，现就上述两种方法进行一下讨论。

 FrozenRotor:

         坐标系改变，但转子与定子之间的相对位置不变，参考坐标系之间不考虑旋转的相互影响，相当于准稳态计算。在冻结转子模型下，组件间是有个固定的相对位置的，但是可以考虑坐标的变换和节距（360/叶片数）的改变的。冻结转子模型可以这样理解，静止域“观察” 旋转部件是处于一个固定的位置。

        该种方法适合于流体速度远大于交界面位置的机械转动速度时（即转速较慢），此模型计算量最小，计算成本最低。

        该模型具有一定的适用性，当交界面上的通流速度相对机器旋转速度较大时，此模型误差较小。在参考坐标系变化时，交界面上的瞬态影响不予考虑，虽减小了计算成本但也牺牲了一定的计算精度。再者就是需要上下游节距比Pitch ratio尽量为1，以最大程度的减小误差。

  Stage:

        混合平面法则在交界面上使用周向平均的方法，考虑时均作用，未考虑瞬态影响，相比冻结转子方法，精度有所提升。

        该方法对多级旋转机械，可以进行稳态计算，并考虑了动静交界面上的混合损失，相当于假定组件间的物理混合(当组件之间的相对运动足够大时，上游的速度分布在进入下游组件之前就进行了混合）。混合平面法适合于流速和机械转动速度量级相当时（即转速较快）的场合，该模型计算量大于Frozen Rotor，此模型型适合于多级旋转机械的计算。

         Stage模型与Frozen Rotor模型相比，要求更多的计算资源， 计算精度有所提升，因此推荐适用Frozen Rotor 获得一个近似解作为初场数据，然后采用Stage计算方法以获得更好的计算结果。

         需要说明的一点是，混合平面法不需要节距比Pitch ratio接近1，但不能太大，太大时会导致精度大大下降。

         冻结转子和混合平面在各自的适用范围内，均能对叶轮机械流场进行精确的仿真，计算时，大家可以按照自己的算例和叶轮机械的特点进行使用。