许多重要工程流体涉及旋流或旋转，而Fluent具备出色模拟此类流动的能力。旋流在燃烧过程中十分常见，通过在燃烧器和燃烧室内引入旋流，能延长停留时间并稳定流动模式。此外，旋转流动还广泛应用于涡轮机械、混合罐及其他多种场合。

开始分析旋转或旋流时，将问题归类为以下五种流动类型之一至关重要：

• 带有旋流或旋转的轴对称流动
• 完全三维的旋流或旋转流动
• 需要运动参考系的流动
• 需要多个运动参考系或混合平面的流动
• 需要滑移网格的流动

本节介绍了前两类模型的建模和求解过程。其余三类涉及“移动区域”的内容将在《带运动参考系的流动》中讨论。

1.5.1 旋流与旋转流动

1.5.1.1 带有旋流或旋转的轴对称流动

用户可以解决涉及预测周向或旋流速度的二维轴对称问题。根据轴对称的假设，流动中不存在周向梯度，但可能存在非零的周向速度。图1.3展示了一个涉及旋流或旋转的轴对称流动示例：腔体内的旋转流动；而图1.4（第10页）则展示了燃气燃烧器中的旋流情况。

问题可能在几何形状和流动条件上呈现对称性，但仍可能包含旋流或旋转。在这种情况下，可以在二维空间中模拟流动（即解决轴对称问题）并预测周向（或旋流）速度。需要注意的是，尽管轴对称假设意味着流动中不存在周向梯度，但仍可能存在非零的旋流速度。

1.5.1.1.1 旋流速度的动量守恒方程

对于二维旋流流动，切向动量方程可以写为

$$\begin{array}{rl}\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho w\right)+\frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial x}\left(r\rho uw\right)+\frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial r}\left(r\rho vw\right)& =\frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial x}\left[r\mu \frac{\partial w}{\partial x}\right]\\ & +\frac{1}{r^2}\frac{\partial }{\partial r}\left[r^3\mu \frac{\partial }{\partial r}\left(\frac{w}{r}\right)\right]-\rho \frac{vw}{r}\end{array}\text{\hspace{1em}(1.24)}$$

其中，$x$ 为轴向坐标，$r$ 为径向坐标，$u$ 为轴向速度，$v$ 为径向速度，而 $w$ 为旋流速度。

1.5.1.2 三维旋流流动

在几何形状变化或周向流动梯度存在的情况下，预测旋流流动需采用三维模型。若打算构建包含旋流或旋转的3D Fluent模型，应熟悉相关的设置限制（详见《Fluent用户指南》中的坐标系限制部分）。此外，在建模初期考虑将问题简化为等效的轴对称问题可能更为有利。鉴于旋流流动的高度复杂性，通过二维研究快速评估不同模拟和设计方案的影响具有重要意义。

重要提示：对于涉及旋流或旋转的3D问题，在设置问题时无需特殊输入，也不需要特殊的求解步骤。但请注意，您可能希望使用柱坐标系来定义速度入口边界条件输入，如用户指南中“定义速度”部分所述。此外，在求解过程中逐步增加旋转速度（作为壁面或入口边界条件设定）可能会对稳定性有所帮助。更多详情，请参阅用户指南中的“通过逐渐增加旋转或旋流速度提高解的稳定性”章节。

1.5.1.3 涉及运动参考系的流动

若流场涉及穿过流体的旋转边界（例如，叶轮叶片或带有凹槽或缺口的表面），则需采用移动参考系来建模。此类应用在“移动参考系中的流动”一节中有详细描述。若存在多个旋转边界（例如，串联的多个叶轮），可使用多参考系模型（详见“多重参考系模型”一节，第24页）或混合面模型（详见“混合面模型”一节）。

1.5.2 旋流与旋转流动的物理学

在旋流中，角动量守恒（$rw$ 或 $r^2\Omega =$ 常数）倾向于形成自由涡流，其中周向速度 $w$ 随着半径 $r$ 的减小而急剧增加（最终在 $r=0$ 附近因粘性力开始占主导地位而衰减至零）。龙卷风就是自由涡流的一个例子。图1.5：自由涡流中的典型周向速度径向分布（第11页）展示了典型自由涡流中 $w$ 的径向分布情况。

可以证明，对于一个理想的自由涡流，由圆周运动产生的离心力与径向压力梯度处于平衡状态：

$$\frac{\partial p}{\partial r}=\frac{\rho w^2}{r}\text{\hspace{1em}(1.25)}$$

随着非理想涡旋中角动量分布的演变，这种径向压力梯度的形式也会发生变化，从而驱动径向和轴向流以响应由此产生的非常不均匀的压力。因此，当你在Fluent模型中计算漩涡分布时，你也会注意到静压分布的变化以及相应的轴向和径向流速变化。正是漩涡与压力场之间的高度耦合，使得旋流建模变得复杂。

在由壁面旋转驱动的流动中，壁面的运动倾向于给流体施加强迫涡流运动，其中 $w/r$ 或 $\Omega$ 为常数。这类流动的一个重要特征是具有高角动量（例如，靠近壁面的流动）的流体趋向于径向向外抛出（参见图1.6：腔体旋转流动的势函数等值线（第12页），使用图1.3：腔体旋转流动的几何形状（第10页））。这通常被称为“径向泵送”，因为旋转壁面正在将流体径向向外泵送。