3DEXPERIENCE 平台流体动力学工程师角色 —— 旋转区域功能详解

3DEXPERIENCE 平台的流体动力学工程师角色内置旋转区域功能，可实现高精度仿真，例如模拟电子设备机箱内部的散热风扇、各类涡轮机构等实际工况。

借助旋转区域功能，用户可对风扇、螺旋桨、涡轮等旋转零部件开展仿真分析，无需对零部件真实旋转运动进行建模，从而大幅降低计算开销。设计团队能够快速完成各类假设工况仿真，无需长时间等待计算结果，显著优化产品研发流程。

3DEXPERIENCE 流体动力学工程师角色可用模型

该角色提供两类适用于旋转机构仿真的计算模型：

滑移网格模型：该模型通过对零部件及对应网格同步旋转，输出时间精确解，适用于设备启停等典型瞬态工况，也可用于模拟转子与定子的非定常相互作用、分析不同转子位置下的流场状态。此模型仿真精度高，但计算量庞大，对硬件算力要求较高。

多参考系模型（MRF）：该模型输出时间平均解，可大幅削减计算成本。其仿真精度略低于滑移网格模型，但计算速度优势十分显著。

用户可结合分析目标与现有计算资源选择适配模型。本文将重点介绍工程中常用于旋转部件流场仿真的多参考系模型（MRF）。

多参考系模型原理

多参考系模型会将整个仿真计算域划分为多个区域，每个区域可独立设置参考系，通常分为静止区域与旋转部件区域。

MRF模型以稳态流场为计算前提，通过为旋转区域施加旋转速度，模拟稳态条件下旋转结构对流体产生的作用。

使用流体动力学工程师角色创建涡轮仿真算例

与滑移网格模型不同，多参考系模型在整个仿真过程中网格保持静止，仅通过切换旋转区域的参考系来等效模拟旋转效果。

多参考系模型与滑移网格模型的精度对比

即便多参考系模型针对本质为瞬态的流动问题输出时间平均结果，其在适用范围内仍具备较高精度。该模型在远低于滑移网格计算成本的前提下，可得到与滑移网格时间平均结果相一致的仿真数据，因此在符合使用场景时应优先选用。

在流体动力学工程师角色中设置旋转区域

采用多参考系方法求解旋转类问题，原理等同于冻结转子法：将转子运动状态冻结，观测参考系内瞬时流场。软件会在后台自动调整计算方程，以此等效模拟旋转效应。

在该角色中配置旋转区域主要分为四大步骤：定义旋转区域、设置角速度、配置参考系变换、求解流场。

定义旋转区域

第一步为几何选取，需要确定旋转零部件及其旋转轴。

通过仿真助手选取旋转区域

旋转区域是包裹旋转零部件的封闭体域，该区域内将切换为旋转参考系。

角速度设置

为旋转区域配置转速，单位可选择转 / 分钟（RPM）或弧度 / 秒。转速支持渐变调节，也可通过表格幅值实现变转速设置。

创建总压入口边界

参考系变换与流场求解

软件会修正旋转区域内所有输运方程的质量通量，并添加额外源项，以此模拟旋转带来的影响，同时可计算离心力与科里奥利力。静止区域与旋转区域会在交界面处完成数据耦合。

此类仿真需遵循两项基本准则：

• 严格满足质量、动量、能量三大守恒定律；

• 交界面处的流场必须为稳态。

求解器将持续迭代直至计算收敛，最终输出旋转部件对流场影响的时间平均结果。

多参考系模型的应用场景

在空气动力学领域，该模型可在不求解叶片瞬态运动的前提下，分析螺旋桨、风扇的推力与出流状态。针对风力发电机这类特殊设备，多参考系模型可近似分析叶片与尾流的相互作用，若需更高精度，仍推荐使用滑移网格模型。

下图案例为将叶轮设置为旋转区域，完成外流场仿真分析。

表压与流速仿真结果展示

多参考系模型的局限性

多参考系模型主要存在两处使用限制：

该模型基于稳态流场假设，不适用于透平机械变转速工况（如设备启停），此类场景建议选用滑移网格模型；

为保证两个参考系的数据匹配，要求交界面流场保持稳态，对于转子与定子存在强相互作用的工况，该近似解法会产生一定误差。

尽管存在上述局限，该功能仍广泛适用于绝大多数含旋转部件的仿真场景，能够有效提升产品设计人员的工作效率与创新能力。

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