旋转机械|04多部件旋转-稳态
导读：介绍多部件旋转方法。
许多旋转机器包含多个部件（多级机器）：例如，压缩机级由转子叶片排组成，将能量传递到流体上，然后是定子叶片排，将涡流转化为静压上升。
有些包含静止的表面，它们不是相对于轴的旋转的表面。例如：泵的卷积表面。
单旋转部件分析也可用于简化的单旋转部件。
多部件分析对于检查组件交互作用最为有用。
多部件分析最好用的方法是多重参考系。
多重参考系Multiple Reference Frame
流动域被分割为固定（绝对）和旋转域，独立网格化，每个域都在其各自的框架中：旋转域在旋转参考系中，静止域在静止参考系中。 
多参考系法同时求解一系列旋转和静止部件：双向完全耦合的相互作用。 由求解器处理的旋转和固定部件之间的接口Interface。 可用的方法： 稳态帧变换方法：Mixing Plane Model、Frozen Rotor Model 瞬态方法：Transient full-annulus、Transient pitch chan 跨距（Pitch）变化（下文讲解）
多参考系方法中的旋转周期性非常有实用性
尽可能解决每个组件的一个通道，减少计算量； 转子和定子的叶片数量不同，导致转子和定子单通道域之间的螺距不匹配。如下图，转子的桨距大于定子的桨距； 
为了不匹配的跨距，需要一种所谓的跨距改变方法。 混合平面方法本质上包括通过在周向上混合流动而对不等跨距的处理。 对于冻结转子法（ frozen rotor method），在融合法中实现了一种跨距变化法
Pitch change最通俗的理解是：
两个平面交接，有一部分面是重合（overlapping region）而另一部分不重合（misaligned region），这部分不重合区就是Pitch Change；
可理解为匹配。Pitch 也可理解为单个叶片通道所展开的部分，相应Pitch angle为展开的角度。
Pitch Ratio，可理解为匹配度，interface中的两个网格面完全重合时，Pitch Ratio=1。
Mixing Plane Model (MP)
混合平面的插值
混合平面模型采用了周向平均技术,Interface上游侧的任何流量变量分布都被转换为Interface下游侧使用的平均横向剖面 
对下游侧的所有必要变量执行相同的转换，所得到的下游平均剖面图用Interface的上游侧； 自转方向上的变量保持不变； 通过周向保守“混合”过程引起的叶片跨距（Pitch）变化。
混合平面的特征
当界面上的周向变化很小或不重要时可用； 模拟以稳态状态运行； 每个分量中只有一个通道使用旋转周期边界条件进行建模； 对于每个旋转组件，其单元区被设置为旋转框架运动，其方式与单个旋转组件相同； 混合损失发生在所谓的通用涡轮界面(GTI)混合平面界面，因为混合过程有固有的物理损失！ 
混合平面方法设置
激活Turbo Model，点击Turbo Create 
混合平面可以在“Create/Edit Turbo Interfaces”对话框中创建 定义Interface对的名称 选择Interface Zones Side，两侧对应选上 激活General Turbo Interface 选择“Mixing Plane”作为“跨距变化类型”
混合平面模型的限制
插值过程会在混合平面界面上引入误差； 混合平面可以处理一些回流，但如果存在大量回流（导致收敛不良），应避免使用混合平面； 平均产生的混合过程将给阶段计算造成额外的（通常很小的）损失； 将无法预测对下游叶片通道的尾流效应和冲击波的相互作用； 混合平面模型中的误差随着相级间距的减小而增大（更强的相互作用）
Frozen Rotor Model
在Interface上，对速度矢量和速度梯度进行了适当的变换，并确定了质量、动量、能量和其他标量的局部通量； 没有考虑到一个域相对于另一个域的相对运动：网格并不会随时间的运动，计算结果对组件的相对位置很敏感； 比混合平面模型鲁棒性更好，需要更少的计算资源。
FR模型特征
当界面上的周向变化很重要时使用，即非轴对称流域； 模拟以稳态运行； 对于每个旋转组件，其单元区被设置为旋转框架运动，其方式与单个旋转组件相同； 允许在冻结界面之间更改跨距； 当pitch ratio很大时，误差可能会很大。 
Fluent中FR模型的设置
激活Turbo Model，点击Turbo Create 混合平面可以在“Create/Edit Turbo Interfaces”对话框中创建定义Interface对的名称 选择Interface Zones Side，两侧对应选上 激活General Turbo Interface 根据Pitch ratio选择Pitch-scale、no pitch-sacle 
冻结转子模型限制
冻结转子模型(FR)忽略了流体区域相对于彼此的相对运动，因此没有考虑到组件之间的流体动力学相互作用； 结果可能取决于组件的“冻结”区域； 当流动通过旋转区域（流进入和离开旋转区域的外边界），或在界面上有显著的流逆转时，FR可能会产生误导性的结果； 对于FR近似不合理的情况，应使用瞬态转子定子代替。 
General Turbo Interfaces (GTI)
基于接口的转子/定子相互作用模型 GTI将转子流动连接到定子流动； 所有叶片模型的基础（稳态或瞬态）； 处理简化几何上的pitch变化模拟； 保持隐式离散化-鲁棒性和速度； 允许在涡轮模型之间切换：GTI必须是非保形网格的才能正常工作； 该接口可以处理大多数涡轮增压器的配置-应用范围广泛
轴向、径向、混合；小到非常大的pitch ratio；二次流动路径：注射、出血和空腔；Sector-to-sector , Sector-to-360 and 360-to-360：
GTI创建
激活Turbo Model，然后再下方创建GTI； 也可以通过Mesh Interfaces创建，如下图所示： 
为涡轮仿真创建基本Interface： 
interface类型
Tip Gap（例如，在转子叶片的边缘）不要选择任何Interface选项，然后单击[创建/编辑]
Non-conformal Periodic Interfaces：选择t Periodic Boundary Conditions
General Turbo Interfaces:选择General Turbo Interfaces、 Pitch-change method
创建Periodic Interfaces
在Boundary Conditions下选择旋转周期边界的两侧：
选择Rotational：旋转轴将自动设置为之前设置的单元区旋转轴： 
在控制台中查看有关已创建的保形或非保形周期的消息 
GTI的使用
Fluent中不需要明确选择冻结转子或瞬态转子/定子界面。它们由Fluid zone motion定义。
Pitch-Scale (PS)
适用于当Pitch ratio较小，pitch-ratio > 2；当旋转区域是360-360时候同样也不适用。
No-Pitch-Scale (NPS)
在大的Pitch ratio时，结果更合理。
在设置常规涡轮Interface请遵循适当的常规设置顺序：
确保转子和定子的流体区正确定义旋转轴 ，对于定子，旋转轴用于定义旋转周期边界； 在创建GTI之前，确保创建周期边界（保形或非保形） 确保在创建GTI之前已经创建了tip interface 任何旋转部件的所有设置以及所有一般物理和求解器的设置都应遵循上一章03单旋转参考系 工作条件、重力、湍流模型选择、能量方程、旋转轴、周期界面、边界条件、求解器设置、初始化程序、时间尺度因子、报告图... 目前FMG不兼容所有的GTI，应该避免使用FMG
多部件旋转最好使用多重参考系方法Multiple Reference Frames
可提供两种稳态帧变化模型：
最适用于叶片行之间的周向平均是一个合理的近似值的问题（轴向压缩机、轴向涡轮机等），不同的变桨角，每个通道只需要一个叶片通道
最适合于流动中不对称的情况，目标pitch ratio尽可能接近于1，或使用无pitch ratio选项。
冷冻转子模型Frozen rotor model 混合平面模型Mixing plane model
