风磨损失 — 2D/3D模型的选择和验证
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风磨损失 — 2D/3D模型的选择和验证
2D vs 3D模型
风磨损失分析用2D就够了吗？
看情况。
| 条件 | 推荐 |
|---|---|
| 轴对称转子（光滑表面） | 2D轴对称即可 |
| 有螺栓头或冷却孔 | 3D扇形模型 |
| 迷宫密封 | 2D轴对称（密封齿轴对称则可） |
| 非轴对称形状（叶片盘） | 3D完整模型或扇形 |
2D和3D结果差异有多大？
光滑盘的差异在5%以内。如果螺栓头突出，3D是必需的，否则拖力被低估。单个螺栓头会导致$C_M$增加10～30%。
收敛判定
风磨损失分析的收敛如何判定？
监测转子表面的转矩。稳态计算中，若转矩波动在0.1%以内则认为已收敛。
常见错误
风磨损失分析常见错误有哪些？
2. 层流计算：工业机械的Re_theta为$10^6$以上，肯定是湍流。层流设置会导致$C_M$数量级错误
3. 忽视核心旋转率：间隙内流体不与盘同速旋转。核心旋转率（典型值0.3～0.5）的准确预测需要充分的网格分辨率
4. 省略突起物：遗漏螺栓、导线护罩等突起会严重低估损失
核心旋转率是什么？
盘间中心（核心）的流体以盘角速度的何种比例旋转的指标。间隙较大时，核心旋转率通常为0.3～0.4，即盘速度的三分之一以下。这个值决定了风磨损失的大小。
Coffee Break 闲话
风磨损失CFD预测为实测的2倍——盘间隙流动模型选择错误
涡轮机械盘与外壳间隙的"风磨损失（Windage Loss）"CFD预测为实测值的2倍时，往往源于转动流动体制判断错误。盘间流动根据间隙比 G = s/R（s:间隙，R:半径）和旋转雷诺数Reomega = omega*R^2/v 分为四种体制（I～IV）（Daily & Nece 1960）。当G<0.01的狭小间隙中Reomega>10^5的湍流域（体制IV）时，边界层汇合，流速分布发生巨大变化。若此时体制判别有误，风磨损失转矩预测会偏离2～3倍。CFD中必须在几何上准确再现间隙（不能简化或省略），并使用y+<1的低雷诺数壁面处理，这是精度的基本条件。
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