本案例利用Fluent中的多参考系模型（Moving Frame of Reference，MRF）计算垂直轴风力机流场。

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问题描述

考虑如图所示的垂直轴风力机（VAWT），其旋转直径12 cm，安装有3个等距叶片，每个叶片弦长为2 cm，正常工作时叶片旋转速度为40 RPM，假设空气流速10 m/s。

注意：本案例假设VAWT以均匀速度旋转，实际上真实情况并非如此。在实际工程中，风力机叶片转动是由于空气流动而引起，且旋转速度并非均匀。如果要计算风力机叶片受空气流动而旋转的话，需要利用到动网格及6DOF模型，本案例并不涉及此内容。

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几何与网格

本案例的几何与网格采用外部导入的方式加载。

• 启动Workbench，添加模块Fluid Flow(Fluent)

• 右键选择A3单元格，点击菜单项Import Mesh File…→ Browse…，在弹出的文件选择对话框中选择网格文件vawt.msh

• 鼠标双击Setup单元格以Double Precision模式启动Fluent

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Fluent设置

3.1 创建interface

案例网格中包含了5个区域，且区域之间的网格节点并不对应，因此需要创建interface。

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > blade_bot_in，点击弹出菜单项Type → interface，将该边界类型修改为interface

• 相同方式修改blade_bot_in、blade_bot_outer、blade_right_in、blade_right_outer、blade_top_in、blade_top_outer、hub_inner、hub_outer的类型为interface

修改完毕后边界列表如图所示。

• 双击模型树节点Mesh Interfaces，点击弹出设置对话框中的Manual Create…按钮弹出Interface创建对话框

• 设置Mesh Interface为blade_bot，选择Interface Zone Side 1为blade_bot_in，选择Interface Zone Side 2为blade_bot_outer，点击按钮Create/Edit…创建交界面

相同方式创建另外3个交界面，如下表所示。

Mesh Interface	Interface Zone 1	Interface Zone 2
blade_bot	blade_bot_in	blade_bot_outer
blade_right	blade_right_in	blade_right_outer
blade_top	blade_top_in	blade_top_outer
hub	hub_inner	hub_outer

注意：

确保选择的配对边界无误。

3.2 General设置

修改角速度单位为RPM。

• 鼠标双击模型树节点General，点击右侧面板按钮Units…

• 弹出对话框中选择angular-velocity，设置units为rpm

• 点击Close按钮关闭对话框

3.3 Models设置

选择Realizable k-epsilon湍流模型。

• 右键选择模型树节点Models > Viscous，点击弹出菜单项Model → Realizable k-epsilon启用湍流模型

3.4 Materials设置

采用air默认属性。密度1.225 kg/m3，粘度1.7894E-5 kg/m-s。

3.5 Cell Zone Conditions

计算域中包含有5个子区域，需要为每个区域指定属性。

1、fluid-surface-body区域

该区域为最外围区域，静止区域，介质为air，采用默认参数即可。

2、inner区域

• 右键选择模型树节点Cell Zone Conditions > inner，点击弹出菜单项Edit…，打开设置对话框

• 弹出的菜单项中设置Material Name为air

• 激活选项Frame Motion

• 设置Relative to Cell Zone为absolute

• 设置Speed为40 rpm

• 点击OK按钮关闭对话框

3、blade_top区域

• 打开blade_top区域设置对话框

• 激活选项Frame Motion，设置Relative To Cell Zone为inner

• 设置Rotation-Axis Origin为(-0.02 0.034641)

• 设置Speed为0 rpm

• 点击OK按钮关闭对话框

• 相同的方式设置另外两个计算区域blade_bot及blade_right，按下表中的参数

Zone name	Centroid (X,Y)	Angular velocity (RPM)
blade_top	(-0.02, 0.034641)	0
blade_bot	(-0.02, -0.034641)	0
blade_right	(0.04, 0)	0

提示：

这里可以利用copy…进行区域参数复制。如果是手动设置的话，不要忘记设置相对区域为inner

3.6 Boundary Conditions

1、farfield1设置

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > farfield1，点击弹出菜单项Type → velocity-inlet，弹出参数设置对话框

• 设置Velocity Specification Method为Components

• 设置X-Velocity为10 m/s

• 设置Specification Method为Intensity and Length Scale

• 设置Turbulence Intensity (%) 为 5 ，设置Turbulent Length Scale (m) 为 1

• 点击OK按钮关闭对话框

2、farfield2设置

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > farfield2，点击弹出菜单项Type → pressure-outlet，弹出参数设置对话框

• 设置Specification Method为Intensity and Length Scale

• 设置Turbulence Intensity (%) 为 5 ，设置Turbulent Length Scale (m) 为 1

• 点击OK按钮关闭对话框

3、wall_blade_hot设置

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > wall_blade_hot，点击弹出菜单项Edit…，弹出参数设置对话框

• 设置Wall Motion为Moving Wall

• 设置Motion 为 Rotational

• 设置Rotation-Axis Origin 为 (-0.02 -0.034641)

• 点击OK按钮关闭对话框

4、其他Wall设置

• 双击模型树节点Boundary，点击右侧面板中的Copy按钮，弹出边界复制对话框

• 选择From Boundary Zone列表项wall_blade_bot，选择To Boundary Zones列表项wall_blade_right及wall_blade_top

• 点击Copy按钮辅助边界信息

• 点击Close按钮关闭对话框

• 按下表数据修改wall_blade_right及wall_blade_top边界的Rotation-Axis Origin参数

Boundary Zone	Centroid (X,Y)
wall_blade_top	(-0.02, 0.034641)
wall_blade_right	(0.04, 0)

3.7 Methods

• 双击模型树节点Methods，右侧面板中设置Scheme选项为Coupled

• 激活选项Warped-Face Gradient Correction及High Order Term Relaxation

3.8 Monitors

软件默认计算残差为0.001，对于二维模型计算，可以将残差设置得更低一些，以提高计算精度。

• 双击模型树节点Monitors > Residual，弹出残差设置对话框

• 设置所有方程的Absolute Criteria均为1E-6

• 点击OK按钮关闭对话框

3.9 Initialization

• 右键选择模型树节点Initialization，点击菜单项Initialize进行初始化

3.10 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为1000

• 点击按钮Calculate进行计算

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计算后处理

• 双击模型树节点Results > Graphics > Contours，弹出云图设置对话框，如下图所示设置

显示速度分布如下图所示。

• 如下图所示设置显示涡量分布

涡量分布如下图所示。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道