炎炎夏日，电风扇是必备抗暑神器。家用电风扇结构较为简单，一般为电机带动扇叶旋转，从而引起空气流动，达到加强散热的效果。

Fluent中模拟风扇主要有3种方法：

• 建立风扇的详细几何模型，利用MRF、滑移网格或动网格计算
• 利用3D Fan Zone，不需要创建风扇几何模型，只需要指定风扇几何参数
• 利用Fan边界条件，指定风扇PQ条件

利用Fluent中的3D Fan Zone可以无需创建风扇几何模型而模拟计算区域中存在的风扇。3D Fan Zone将分布的动量源应用于一个环形流体体积(即叶片掠过的体积)中，用于模拟轴流风扇作用的流体单元区域。这与基于集总参数模型的风扇边界条件相反，在集总参数模型中，认为风扇无限薄且将速度阶跃定义为速度的函数。3D Fan Zone具有以下优势：

• 三维风扇区域可以考虑旋转速度与径向速度，主要用于模拟轴向流动
• 三维风扇区域的计算结果与MRF计算结果相近，且且不需要建模三维旋转风扇几何

注：被指定为3D Fan Zone的计算区域不允许存在非一致网格。因此在生成计算网格时注意共享拓扑。

”

1 三维风扇区域的动量方程

下面的方程用于三维风扇区轴向、切向和径向的动量源，用于模拟风扇对流体的影响。切向动量源基于叶轮机械相关关系，径向动量源基于离心力平衡。

轴向方向：

切向方向：

径向方向：

式中，为给定轴向流量的条件下对应的风扇压力升高量；为叶片轴向掠动环面区域的厚度；为风扇功率；为与风扇旋转轴的距离；为风扇工作角速度；为风扇毂半径；为基于拐点比的风扇叶片上的点的半径；为风扇叶尖半径；为流体密度；为当地切向速度。

为了计算切向源项，定义额外的3个表达式：

式中，为风扇出口平面的速度矢量；为风扇出口平面的面积向量；为拐点比，定义为切向速度沿叶片长度方向从增大到减小的转换位置将叶片分割成的长度之比。

通过三维风扇区域的压力升高量被定义为通过风扇的体积流量的函数。该关系可以是常数或风扇特性曲线，即多项式或分段线性函数。在多项式的情况下，该函数关系可定义为下面的形式：

式中，为压头系数多项式（Fluent计算得到），为风扇法向流量。

注意：流量可以是正的，也可以是负的。在指定流量是需要注意，确保通过风扇的正向流动产生压力上升。

”

风扇特性曲线数据通常是在规定的测试条件下收集的。然而CFD模拟的工作条件可能与此数据不一致(例如，转速或流体温度可能不同)。此时三维风扇模型可以根据以下比例关系对风扇曲线数据进行调整：

式中，及分别为测试温度及风扇网格区域的体积平均温度。

2 参数输入

将三维风扇区作为一种特殊类型的流体区域进行建模。网格区域应当包含一个与风扇掠过体积相同尺寸的圆环区域（区域内部半径与外部半径分别与风扇的轮毂与叶尖半径尺寸相等，厚度方向与叶片掠过的圆柱区域厚度相等）。流体区域类型为“interior”，即具有至少两个与另一个流体单元区相邻的、作为风扇进出口的interior类型的边界区域(其他边界也可以是interior类型)。

要将网格区域指定为3D风扇区域，需要在流体区域设置对话框中启用3D Fan Zone选项，然后在3D Fan Zone选项卡中定义风扇的几何形状及参数。

2.1 定义3D风扇区域的几何

在流体区域设置对话框中将计算区域指定为3D Fan Zone后，可以在对话框中设置风扇的几何。

• 从Inlet Fan Zone下拉列表中选择一个边界区域作为3D风扇区域的入口面。该边界必须满足：其为Interior类型；必须为平面；必须为3D风扇区域与另外流体区域之间的边界。风扇由该边界法向方向吹向3D风扇区域
• 通过输入Hub Radius、Tip Radius以及叶片在轴向扫掠的环形区域的厚度Thickness来确定风扇的总体尺寸。请注意，这些值必须符合3D风扇区域的范围，厚度将从进口风扇区域应用到3D风扇区域
• 指定Inflection Point。拐点比定义为切向速度沿叶片长度方向从增大到减小的转换位置将叶片分割成的长度之比，如下图所示。可以从实验数据中得出这个比例；如果没有试验条件，也可以先使用Fluent建立实际的风扇几何进行仿真计算（如使用滑移网格进行计算），然后利用计算结果来确定输入此参数
• 指定参数Fan Origin。该坐标点通常设置为Inlet Fan Zone边界的圆心（其实要求并没有那么严格，只要保证风扇的直径落在入口面内即可）

2.2 定义3D风扇区域的属性

除了定义风扇几何外，还需要在3D Fan Zone选项卡中定义Properties参数。

• 定义参数Rotational Direction以指定风扇的旋转方向。对于风扇方向矢量(即从Fan Origin指向垂直于Inlet Fan Zone的三维风扇区域的矢量)，若遵循右手规则，则认为旋转方向为positive，否则为negative。

• 指定参数Operating Angular Velocity定义风扇工作角速度。该参数值必须为正的非零值。

• 可以通过激活选项Limit Flow Rate Through Fan，从而限制风扇的最大和最小流量

• 可以激活选项Tangential Source Term, Radial Source Term, Axial Source Term options以在指定的方向上激活动量源。注意切向源项和径向源项根据叶轮理论定义的，因此不需要进一步的参数输入，而轴向源项需要额外的参数输入。

• 若激活了选项Axial Source Term，则需要定义轴向源项参数，Fluent提供了两种方式
• Constant pressure：指定风扇区域的压力升高量
• fan curve：指定风扇的PQ特性数据，如下图所示

可以通过按钮Read Fan Curve… 读取文本格式的PQ数据。一个简单的PQ数据文本示例如下：

cell zone id
18    !CELL_ID
Pressure(Pa)    Flowrate(m3/s)
-333.0    1.130
-215.0    1.122
-165.0    1.064
0.0    0.981
42.0    0.912
90.0    0.855
112.0    0.786
303.0    0.546
344.0    0.492
395.0    0.451
411.0    0.399
442.0    0.324

除了读取PQ文本数据，还需要指定拟合方法（可选择polynomial或piecewise-linear，对于多项式拟合，还需要指定多项式的阶数）。除此以外，还需要在对话框中指定初始流量、实验工况的角速度以及温度。

3 风扇区域的使用限制

3D风扇区域在使用过程中存在一些限制：

• 不能与预混燃烧模型一起使用
• 不能与欧拉多相流模型一起使用
• 当使用了fan curve来指定轴向源项时，必须启用能量方程

另外，利用3D Fan Zone模型无法模拟摇头风扇，想要模拟摇头风扇，可以使用滑移网格或动网格模型。