导读:用过商用CFD软件算过旋转机械的人应该都知道MRF方法,MRF全称Multiple Reference Frame,简单来说就是用一个圆柱区域包裹住旋转机械,保持旋转机械不动,并让该包裹区域向着转动相反的方向转动,从理论上来说,道理完全没问题,比如计算风机的风量风压性能,这是某个散热风扇的MRF计算和测试结果的对比:Fluent MRF计算结果:Q1=1.1085*3600/1.2=3325m³/h实验测量结果:Q2=3200m³/h计算误差: ∆=(3325-3200/3200=3.9%,如果只是针对风量计算,达到5%以内是很容易的事情。直到我用同样的方法去计算推力(或者叫拉力、升力、推力风扇和螺旋桨比较关心该参数)的时候,误差惊到我了,大于10%是常有的事,后来一搜索才发现,这种大误差的结果大家都遇到过,不信你看(就不放具体论文标题了):(1)哈工大某硕士论文,6500转的时候拉力误差达到了24%MRF仿真结果:实验结果:(2)某博士写的EI期刊(航空动力学报),拉力和扭矩误差20%这样的例子还有很多,就不一一列举了,当然我也考虑了用动网格的方法,因为是真实转动的模拟,结果当然可控制在5%以内,但是MRF方法在计算效率上是动网格没法比拟的,如果真要计算100个工况,动网格算完估计产品都开发完了。为了解决这个问题,我首先想到的是加大求解域、加密网格和边界层、y 做到1、用密时间尺度去算等等方法都尝试了,但最后都无济于事,直到我在外网上搜到了一篇相关论文“Developmentof a CFD model for propeller simulation”,该文的主要观点是MRF的圆柱厚度对最终的拉力非常敏感,这个观点跟我们的直觉是相违背的,根据MRF理论,转动区域是越接近几何越准确,因为在非叶轮区域是不转动的,所以加大MRF尺寸势必会造成误差,一开始我压根就不信这个结论,但是我还是用该方法尝试了一下,结果全部在5%以内,我惊呆了!仔细一想,计算拉力可能还真的需要这么干,在北航刘沛清老师的“空气螺旋桨理论与应用”这本书中,有一个图,桨叶的尾涡非常明显,根据涡流理论这种尾涡对升力有很大影响。从MRF模型角度考虑,如果强行把出口旋转区域设置成非旋转,这种尾涡就会消失;造成拉力的损失,如果出口旋转区域过大,尾涡就会被放大,拉力就会比实际值大。上图是MRF计算后的流线图,从图中可看出有比较明显的尾涡,在接近MRF最外端区域时,这种尾涡会逐渐减弱,所以在计算大转速的情况下,MRF厚度尺寸应该要加大,小转速情况下,应减小该尺寸,关于如何设置该厚度尺寸,目前并没有一个通用的计算方法,但是通过大量验证,发现在大部分转速范围内,该尺寸变化对结果是可控的,若想保持每次计算都在5%以内,需通过上述论文的规律进行MRF厚度建模。