风扇与风机CFD
风扇与风机CFD的理论基础
概述
风扇和鼓风机有什么区别？
通过压力比来区分。大致上，压力比1.1以下（全压上升数百Pa程度）为风扇，1.1～1.3程度为鼓风机。流动大多情况下基本可视为不可压缩，但在高速风扇中，叶尖马赫数也可能超过0.5。
风扇定律（相似定律）
风扇定律在CFD中也会用到吗？
在一维设计阶段是必须的。对于几何相似的风扇，以下关系成立。
$N$: 转速，$D$: 直径。用CFD制作一个转速的性能图后，就可以通过相似定律来估算其他转速的性能。但需要根据雷诺数效应进行修正。
全压与静压
评估风扇性能时，应该看全压上升还是静压上升？
取决于风扇的使用方式。
- 管道系统: 用全压上升 $\Delta p_t$ 评估（上下游连接有管道）
- 自由吹出: 用静压上升 $\Delta p_s$ 评估（出口开放）
- 自由吸入: 用风扇静压评估
CFD的边界条件也要相应改变吗？
是的。管道系统则用出口边界条件来模拟系统的压力损失。自由吹出则将出口设为大气开放（表压0Pa）。实际系统阻力曲线与风扇特性曲线的交点即为运行点。
噪声预测基础
风扇的噪声也能用CFD预测吗？
可以。风扇噪声分为离散频率成分（BPF: 叶片通过频率）和宽频成分。
离散成分用URANS预测，宽频成分用LES/DES+FW-H预测。Fluent、STAR-CCM+都内置了FW-H求解器。
风扇理论的历史——从兰金-弗劳德动量理论到普朗特翼型理论
风扇的空气动力学理论与螺旋桨理论有着相同的历史，始于Rankine-Froude（1865〜1878年）的动量理论。这是一个将风扇视为无限薄的作动盘、向流体施加动量的简单模型。之后，结合了Prandtl(1921)的翼型理论（升力与诱导阻力的关系）和涡环的“涡格法（Vortex Lattice Method）”被开发出来，使得能够计算单个叶片的气动特性。现代的BEM（叶片元素-动量）法是其简化为一维的设计工具，通过结合CFD结果和实测数据来校准翼型元素的升力/阻力系数，从而实现可靠的性能预测。风扇CFD作为这些经典理论的“检验官”发挥作用，偏离BEM预测的CFD结果可解读为形状细节效应或湍流影响的信号。
数值解法与实现
MRF法（定常）
风扇的CFD用MRF就足够了吗？
预测性能曲线（P-Q特性）用MRF就足够了。用GGI面连接旋转域和静止域，在旋转域附加科里奥利力和离心力。计算成本与静止场的计算几乎相同。
MRF的弱点是什么？
无法捕捉叶片与下游结构之间的非定常干涉。例如，与电机支撑件或出口导叶干涉引起的压力脉动，MRF无法计算。
Sliding Mesh（非定常）
什么情况下需要用到Sliding Mesh？
Sliding Mesh的时间步长如何确定？
以叶片每通过一次有20～50个时间步长为基准。叶片数7片、3000rpm时，叶片通过周期为 60/(3000×7) = 2.86ms。将其分成30份，则 $\Delta t \approx 95 \mu s$。
不可压缩与弱可压缩
对于风扇，可以忽略可压缩性吗？
叶尖马赫数在0.3以下时，不可压缩就足够了。可以用OpenFOAM的simpleFoam（定常）或pimpleFoam（非定常）计算。马赫数0.3～0.6时，最好考虑弱可压缩性，使用CFX的可压缩求解器，或使用Fluent的压力基耦合求解器（Connected Coupled Solver）来应对。
风扇特有的网格技巧
风扇网格需要注意哪些点？
轴流风扇的翼弦通常较长，展弦比（翼展/翼弦）较小。叶尖间隙的相对尺寸也较大，因此叶尖泄漏流的影响较大。要确保叶尖展向有足够的网格密度。另外，风扇的流入速度较低，y+容易变小，要注意避免壁面第一层网格过薄。
风扇CFD的P-Q曲线生成——RANS多点计算与失速收敛点的处理
要用CFD生成风扇的性能曲线（P-Q曲线: 压力-流量特性），需要在多个流量条件（通常5〜10个点）下分别进行分析。设计流量附近（最高效率点BEP）容易收敛，但在低流量侧（部分流量区域）会发生失速涡（旋转失速），不存在定常解。要用CFD追踪这个“失速点之后”的区域，需要进行非定常（URANS）分析，定常RANS会发散或收敛到非物理解。在实际的P-Q曲线生成中，通常以设计点为中心，向低流量和高流量方向各分析2〜3个点，失速点以下的低流量区域则用实验或一维理论预测来补充。此外，针对每个流量条件单独调整松弛因子是改善收敛性的实用技巧。
风扇与风机CFD风扇与风机CFD实践指南
P-Q特性的计算步骤
请告诉我用CFD获取风扇性能曲线的步骤。
1. 基准计算: 在设计点流量下进行定常MRF计算并收敛
2. 流量变化: 出口指定质量流量（或静压），计算5～8个运行点
3. 记录各运行点数据: 全压上升、静压上升、轴功率、效率
4. 效率计算: $\eta = \frac{Q \cdot \Delta p_t}{\tau \cdot \omega}$（$\tau$:扭矩，$\omega$:角速度）