4. 旋转机械CFD几何建模
旋转机械的CFD几何建模，本质上是把设计图纸或CAD模型转化为“只保留流体域、且适合网格划分”的计算几何。它与普通外流或管流建模最大的区别在于：叶轮、导叶、蜗壳之间存在旋转与静止的耦合，流道狭长、叶片扭曲、间隙尺度小，几何缺陷极易在网格阶段被放大。因此本节的重点不是“把模型画出来”，而是把几何清理、水体抽取、周期性扇区简化和几何修复检查串成一条可复现的建模链。
一、几何清理：先删掉不参与流动的实体
拿到整机装配体后，第一步是识别并删除与流体域无关的零件，例如轴、螺栓、垫片、密封环、轴承座、外壳加强筋等。保留的对象通常只有三类：叶轮叶片及轮盘轮盖形成的过流通道、导叶或静叶流道、蜗壳与进出口延伸段。清理时要注意“保留壁面”与“删除实体”的区别：螺栓孔在流体域中会形成局部凹坑，若不影响主流且网格量敏感，可简化为光滑壁面；而叶顶间隙、口环间隙这类直接影响泄漏与效率的结构，必须保留。
清理过程中常见的几何问题包括：叶片与轮盘之间存在微小缝隙或重叠、倒角与圆角过多、曲面存在碎面。对于旋转机械，建议先做“特征抑制”而非直接删除面：把小于0.5 mm的倒角、圆角、小凸台统一抑制，保留主要流道曲面。若叶片前缘或尾缘存在尖角，应适当倒圆，避免网格在此处出现负体积。
二、水体抽取：从实体到流体域
水体抽取的目标是得到封闭的流体计算域。对于单流道模型，通常采用“流道抽取”方式：以叶轮的一个叶片通道为边界，向上下游延伸出进口段和出口段。对于整机模型，则采用“布尔减运算”：用外壳内腔减去所有固体部件，得到完整流体域。
抽取时需明确三个关键面：进口面、出口面和周期性边界。进口面一般取在叶轮前缘上游约1～2倍叶轮直径处，出口面取在导叶或蜗壳下游足够远的位置，避免回流影响。以某离心压缩机为例，叶轮出口直径约400 mm，进口延伸段取500 mm，出口延伸段取600 mm，可保证进出口边界与叶轮之间有明显距离。
三、周期性扇区简化：用最小流道代表整周
当叶轮或导叶沿周向均匀分布时，可利用周期性边界把整周计算简化为一个或若干个扇区。设叶片数为Z，则单流道扇区角度为360°/Z。例如Z=20时，扇区角度为18°。若叶片存在交替布置或导叶与叶轮叶片数不同，则需取两者的最小公倍数对应的扇区，例如叶轮20片、导叶22片，则最小周期扇区为360°/2=180°，即半个圆周。
周期性扇区建模的关键是保证两侧周期面几何完全一致。实际操作中，可先建立单流道水体，再通过旋转复制得到完整水体，最后用两个通过轴线的平面切割出扇区。切割后要检查周期面上是否存在跨面网格节点不匹配的问题，这会在后续网格阶段导致周期边界无法正确识别。
四、几何修复与检查：把问题挡在网格之前
几何修复不是“看起来没问题就行”，而是要用量化指标判断。建议按以下顺序检查：
- 自由边检查：流体域应为封闭实体，若存在自由边，说明有面未缝合。自由边数量应为0。
- 重复面与干涉面：布尔运算后常出现重合面，会导致网格生成时出现零厚度区域。可用“面-面干涉检查”识别并删除。
- 最小间隙检查：叶顶间隙、口环间隙等最小尺寸应大于目标网格尺寸的1.5～2倍。例如目标网格尺寸0.8 mm，则最小间隙不宜小于1.2 mm，否则需局部加密或简化间隙。
- 法向一致性：所有面的法向应指向流体域外部。若法向混乱，网格工具无法判断内外，会生成错误体网格。
- 体积与负体积检查：封闭水体体积应大于0，且无负体积区域。若出现负体积，通常意味着存在自相交面或翻转面。
五、一个可复用的建模检查表
下表给出旋转机械CFD几何建模的检查项与建议阈值，可作为建模完成后的自检依据。表中数值为一般工程经验值，具体项目应根据网格尺寸和求解器要求调整。
| 检查项 | 检查对象 | 建议阈值 / 判断 | 不通过时的处理 |
|---|---|---|---|
| 自由边 | 流体域所有面 | 数量 = 0 | 缝合缺失面或修补孔洞 |
| 重复面 | 布尔运算后交界面 | 数量 = 0 | 删除重合面并重新缝合 |
| 最小间隙 | 叶顶间隙、口环间隙 | ≥ 1.5倍目标网格尺寸 | 局部加密或适当放大间隙 |
| 法向一致性 | 所有壁面 | 全部指向流体域外 | 统一翻转法向 |
| 体积 | 封闭水体 | 体积 > 0，无负体积 | 查找自相交面并修复 |
| 周期面一致性 | 扇区两侧周期面 | 几何形状一致，节点可匹配 | 重新切割或使用周期匹配功能 |
完成上述检查后，几何模型即可进入网格划分阶段。需要强调的是，几何建模阶段每修复一个缺陷，都比在网格阶段反复调试更省时间。对于叶轮机械，建议在几何阶段就明确旋转域与静止域的交界面位置，并在后续网格中保持该界面为独立面，以便设置冻结转子或滑移网格。