电驱油冷部件级 CFD：旋转域、自由液面与搅油损失的数值实现

课程大纲

• 能说出 J2-02 的旋转域三策略（MRF／滑移网格／致动盘）在叠加自由液面油相后为何失效，并用液相总量守恒残差验证滑移／重叠交界面选得对不对
• 能按界面 Courant 数与「每步转角」两条约束同时反算可用时间步、指出卡点在流速侧还是转速侧，并说明冷起动高黏工况下哪些数值设置必须按最冷点重估
• 能在 VOF／拉格朗日离散相 DPM／Eulerian wall film／SPH 之间给出组合方案，并在开算前就估出各方案的单元量级与时间步代价（而不是跑挂了才知道）
• 能把「端部绕组液膜覆盖率」写成含 δ_min、靶面与时间窗口的定义式，输出时间平均与窗口最小值两个数，并定位覆盖盲区落在哪个扇区、哪个相位
• 能用 We_δ 与 Bo_ω 判高速旋转下液膜是否破碎与二次夹带，说明它把覆盖率与气隙油量两个结论朝哪个方向改写，并解释这两个数的阈值为何不能抄文献单值
• 能对旋转壁面做「粘性项 + 压力项」力矩积分提取搅油／风摩损失，与效率 map 的机械损耗分项算残差、按两侧不确定度带判是否放行给热模型
• 能定出透明壳高速摄影可视化与端部埋热电偶两类对标数据各能反标什么、不能反标什么（对标数据来源与规程承 L1-08）

1. 旋转域 × 自由液面：交界面、网格与时间步（含冷起动黏温非线性的数值稳定性）
   • 旋转域三策略（MRF／滑移网格／致动盘）的本体是前置 J2-02 的内容，本课不重讲，直接从它的适用边界接手：J2-02 那三条要点全部是单相空气风扇的结论，域内一出现自由液面油相，MRF 的稳态假设就失效——稳态解里根本不含液面周期性运动这个模式，必须转瞬态。
   • 界面穿越交界面是本课第一个真困难：滑移网格交界面上做的是通量插值，液面正好横跨时相体积分数 α 会被抹平；判据是逐步跟踪交界面两侧液相总量的守恒残差，不守恒就把交界面挪出液面活动范围（例如放到常年全气相的气隙上半段），而不是靠加密去硬扛。
   • 重叠网格（overset／chimera）与 VOF 的兼容性必须单独验：重叠区插值不天然守恒，能造出「幽灵油」也能吃掉液团；判据同上（全域液相总量随时间的漂移量），不合格时优先退回滑移交界面，重叠网格留给几何上非旋转的运动件（如活动挡油板）。
   • 时间步被两条约束同时卡死：界面 Courant 数给 Δt ≤ Co_max·Δx_min/|u|_max，交界面每步转角给 Δt ≤ Δθ_cell/ω（实践常取每步不超过 0.5~1 个网格角跨度）；取小者，并且必须说出卡点在哪一侧——卡在转速侧时加密气隙网格不解放时间步，只是更慢。
   • Courant 约束本体与表面张力伪流（spurious currents）的机理见前置 J3-04，本课只用其结论不重讲；两课的分界就是「有无相变」：J3-04 难在相变源项与界面锐化，本课难在交界面界面穿越与液膜破碎，二者互为前置／关联。
   • 冷起动是纯数值侧的第二个真困难：黏度跨一到两个数量级会同时改写单元 Re、界面输运的相对权重与线性系统条件数，热态调好的时间步／亚松弛／离散格式搬到冷态常直接发散或停在伪收敛；数值设置必须按最冷点重估，不能沿用热态那套。
   • 冷起动的物性与设计侧口径（黏温曲线从哪来、油泵能不能建压、油温窗口设在哪、喷油覆盖为何不足）在 E1-02 与 G5-02，本课只负责让它算得动、算得对，不重讲设计判据。
2. 油相方法族选型与算力量级：VOF / DPM / Eulerian wall film / SPH
   • 四族方法按「液相在哪、以什么形态存在」分工：连续大液团与液面用 VOF；已脱离壁面的离散液滴与油雾用拉格朗日离散相 DPM；贴壁薄液膜用 Eulerian wall film；大范围飞溅的定性看势用 SPH／无网格。真实算例几乎一定是组合，不是单选。
   • Eulerian wall film 的模型本体见前置 J4-03，但那门课的口径是静止大曲率玻璃内表面的凝结成膜；本课只讲高速旋转壁面上的三条差异——离心力成为主导体积力、气液相对速度量级高一到两档、薄膜假设会被破碎与二次夹带直接推翻（判据见讲 4）。
   • 「VOF 还是 wall film」有可算门槛而非凭经验：要用 VOF 硬解液膜，法向至少要有 n_layer（工程量级 3~10 层）落在膜厚之内；达不到就会被数值扩散抹平、表面张力伪流反过来主导（机理前指 J3-04），此时该换 wall film 用薄膜假设换算力。
   • 算力量级要在选型时就算出来：端部靶面按十微米级法向、零点几毫米级面内铺一层液膜，仅这一层就是百万量级面元、数百万单元，叠上气隙与油池后总网格进千万级；再乘上讲 1 反算出的微秒级时间步，百毫秒量级的物理时长就是万步量级——结论是端部液膜全域 VOF 在项目节奏里不可行，标准做法是端部走 wall film、只在喷孔近场与甩油区留局部 VOF。
   • DPM 接手的边界是「液滴已脱离壁面且体积分数低」：先判 Stokes 数量级决定液滴能不能当被动跟随，破碎与碰壁的子模型都要另配并标定。术语防撞——本课 DPM 指拉格朗日离散相模型，与质量管理侧的 DPMO（每百万机会缺陷数）同形异义，交付文件写全名。
   • SPH／无网格只到认知与选型层、本课不做实操：它省掉的是网格，付出的是粒子数与核函数标定，且与壁面换热、薄液膜的耦合精度目前撑不起覆盖率这类定量交付；用它做大液团飞溅的定性看势与方案初筛可以，拿它交覆盖率与搅油损失数不行。
   • 选型结论要写成一张「哪一族负责哪一段液相 + 各自算力量级 + 各自失效边界」的表随结果交付，否则下游（E1-02 的结构改动、E4-01 的热源图谱）无法判断这份结果能用到什么程度。
3. 喷孔射流建模与端部绕组覆盖率的量化判据
   • E1-02 已给结构侧的孔位、流量分配与覆盖盲区，以及射流冲击 Nu 随喷孔 Re、无量纲喷距与径向位置变化的定性规律；本课不重讲这些，只补它缺的那一半——建模方法与可验收的量化判据。
   • 喷孔入口不要把整个喷油环内腔建进 CFD：先用一维／流阻网络把各孔流量分配定下来（泵与油路侧口径承 G5-02），再以各孔的质量流量与速度方向作入口边界；把内腔一起解进来是把算力花在最不影响覆盖率的地方。
   • 射流段网格要按射流直径分辨而不是按靶面分辨：喷孔到靶面这一小段决定油打在哪、以多大速度打上去，分辨不够就会得到「油雾均匀铺满」的假结论；判据是射流核在到达靶面前不被数值扩散抹散。
   • 覆盖率必须写成定义式才算判据：C_δ = A{δ_f ≥ δ_min}/A_target，且交付时同时给 ≥N 个转子周期的时间平均 ⟨C_δ⟩ 与同窗口最小值 min_T C_δ，缺一个都不算交付。
   • δ_min 不是物理常数——它同时吸收了网格分辨率、wall film 薄膜假设与「多厚才算换热有效」三件事，必须靠透明壳可视化或端部埋偶试验反标（对标口径见讲 5、台位与规程见 L1-08）；换网格、换模型、换油品都要重标。
   • 只报时间平均会掩盖周期性断流：喷孔数与转速接近整数比时某些扇区会周期性无油，min_T C_δ 可以远低于均值；覆盖盲区的识别要回答「哪个扇区在哪个相位干着」，不是看一张时均云图。
   • 术语防撞：全库里「覆盖率」的命中绝大多数是需求覆盖率／诊断覆盖率，与本课的液膜覆盖率同名异义；交付文件必须写全「端部绕组液膜覆盖率」并附 δ_min、靶面定义与时间窗口，否则与功能安全／软件侧口径撞车。
   • 整改方向优先取「不增总油量」的那类：补孔、改喷角、改非等间距布置能填盲区而不抬搅油损失；单纯加大总油量会同时抬高讲 5 的 P_churn，容易出现热点回落而整机效率反降（结构侧取舍见 E1-02、F3-03）。
4. 高速旋转下的液膜破碎、二次夹带与再飞溅
   • 这一讲回答的是「wall film 假设什么时候不成立」：液膜在离心力与气液相对速度作用下被甩离壁面、破碎成液滴，再被气流带走或重新撞回，覆盖率与气隙油量两个结论都会因此改写。
   • 判倾向用两个无量纲数配对：以膜厚为特征长度的韦伯数 We_δ = ρ_g·u_rel²·δ_f/σ 看气动剪切撕裂，旋转 Bond 数 Bo_ω = ρ_l·ω²·r·δ_f²/σ 看离心甩离；两个都远小于 1 时薄膜假设安全，任一进入 1 以上量级就要按破碎处理。
   • 这两个数对 δ_f 与 σ 极敏感：Bo_ω 随 δ_f 平方走，膜厚从数十微米降到十微米量级，判据能从「明显破碎」翻转到「安静铺展」；σ 随温度下降、必须给温度，用手册常温值去算冷起动与热态是这两个判据最常见的失效来源。
   • 阈值禁止抄文献单值：临界值随 u_rel 与 δ_f 的定义方式（时均还是瞬时、名义还是局部）整体漂移，公开值跨个位数到上百量级；本课口径是用同一套定义在两三个转速点算相对变化，再用透明壳可视化定本几何的阈值。
   • 这两个数只判「会不会破」，不给液滴谱：要液滴尺寸分布必须转 DPM 并另配破碎子模型与标定（方法族分工见讲 2），拿 We_δ 反推粒径是越界用法。
   • 二次夹带的工程后果要分两笔记：一笔是端部覆盖率被打折——讲 3 的 C_δ 要用含夹带的结果，不能用纯 wall film 结果；另一笔是气隙油量上升带来的粘性阻力矩，直接进讲 5 的力矩积分。
   • 与相变两相的分界要说清：J3-04 的界面难点在相变源项与界面锐化，本课的界面难点是破碎与再飞溅这类无相变的拓扑变化；两课互为前置／关联，不要把 Lee／RPI 那套搬过来套在这里。
5. 搅油/风摩损失的力矩积分提取、与效率 map 对账，以及试验对标口径
   • 本讲严格限定输出物为「给热模型的热源与换热边界条件」：交付 P_churn、P_windage 与对应壁面的换热系数／温度分布，不评齿轮啮合效率、不做润滑失效判据（那属 F3-03 与 F4-01 的口径），越界必与传动侧的效率结论打架。
   • 提取方法是对旋转壁面做力矩积分再乘角速度：M_z = ∮_A [r × (τ_w − p·n)]_z dA，P = M_z·ω；粘性项与压力项都必须算——低油位时力矩几乎全来自粘性，浸油深、大液团时压力项可以反超粘性项，只算剪应力会系统性低估。
   • 积分面集合要显式列清并与效率 map 的机械损耗边界对齐：转子外圆、两端端环、甩油盘、齿轮端面各算不算，漏一项残差就偏正，重复计入就偏负；轴承摩擦不在 CFD 里，必须另算并在对账时单列。
   • 只有在液相分布进入周期稳态之后取时间平均的力矩才有意义：甩油工况下单个时刻的阻力矩摆动可达数十个百分点量级，拿瞬时值报数是这一讲最容易犯的错。
   • 对账用残差 R = P_mech,map − (P_churn,CFD + P_windage,CFD + P_bearing,model)，逐转速点、同油温、同油位地做；R 的符号有诊断意义——偏正先查漏了哪块壁面或油位给低了，偏负先查积分面是否重复计入、或效率 map 的电磁分项本身偏大（电磁侧分项口径见 J6-03）。
   • 放行判据不设固定百分比：先把 CFD 侧与 map 侧各自的不确定度带算出来，残差落在带内才叫对上；对不上就不许把 P_churn 当热源灌进 LPTN／CHT，否则热模型的误差会被误判成冷却方案不足（热源与边界怎么接进热网络／共轭域见 J6-03、J2-04）。
   • 对标数据只有两个来源、各管一段：透明壳高速摄影可视化管液相形貌与覆盖盲区，能直接反标 δ_min 与破碎阈值；端部埋热电偶管换热结果，只能反标合成效果、分不出是覆盖率错还是换热系数错。两者的台位、双介质边界控制与判读规程见 L1-08，本课只定口径不讲规程。
   • 交付给下游的口径要写全：热源随转速／油温／油位的三维依赖、换热边界是给壁温还是给 h、以及本次算例的可信度页（哪些结论受模型支配、哪些不受）——这正是 E1-02、E1-03、E4-01、F3-03、F4-01、G5-02 六处悬空依赖一直无处可引的那份出处。

• 以为旋转域策略选定就万事大吉，其实 J2-02 那套 MRF／滑移／致动盘三选一只对单相空气成立：域内一出现自由液面油相，MRF 的稳态假设直接失效（稳态解不含液面周期运动这个模式），必须转瞬态，且时间步同时被 Courant 数与每步转角两条卡住。
• 以为重叠网格可以随手叠在 VOF 上，其实重叠区插值不天然守恒，界面穿越时会造出「幽灵油」或吃掉液团；判据是跟踪全域液相总量随时间的漂移，不守恒就把交界面挪出液面活动范围或退回滑移交界面。
• 以为 Eulerian wall film 能一路算到高转速，其实 J4-03 的口径是静止大曲率玻璃上的凝结成膜；高速旋转壁面上离心力与气液相对速度会把液膜甩破并二次夹带（判据 We_δ／Bo_ω），薄膜假设本身失效。
• 以为「覆盖率」这个词自带口径，其实体系内绝大多数「覆盖率」是需求覆盖率／诊断覆盖率，与本课的液膜覆盖率同名异义；交付文件不写全「端部绕组液膜覆盖率」并附 δ_min、靶面与时间窗口，就会与功能安全／软件侧口径撞车。
• 以为覆盖率平均值达标就算过，其实喷孔数与转速接近整数比时会周期性断流，瞬时最低覆盖率可远低于均值；判据必须同时给时间平均与窗口最小值，并回答「哪个扇区在哪个相位干着」。
• 以为搅油损失就是壁面剪应力的积分，其实浸油深、大液团时压力项可以反超粘性项，只算剪应力会系统性低估；而且必须在液相进入周期稳态后取时间平均，单时刻力矩摆动可达数十个百分点量级。
• 以为 CFD 算出的搅油损失可以直接当热源灌进热模型，其实必须先与效率 map 的机械损耗分项对账、残差落进两侧不确定度带才放行；对不上就灌，热模型的误差会被误判成冷却方案不足（接法见 J6-03、J2-04）。
• 以为把搅油损失算准了就该顺手评齿轮效率，其实本课严格限定在「给热模型的热源与换热边界条件」——齿轮啮合效率、λ 膜厚比与胶合判据属 F3-03／F4-01 的口径，越界就会与传动侧的效率结论各说一套。
• 以为冷起动只是「油稠一点」，其实黏度跨一到两个数量级会同时改写单元 Re、界面输运的相对权重与线性系统条件数，热态收敛的设置搬到冷态常直接发散或停在伪收敛；数值设置须按最冷点重估（黏温曲线与设计侧口径见 E1-02、G5-02）。
• 以为 SPH 是「不用画网格所以更省事」的替代品，其实它省掉的是网格、付出的是粒子数与核函数标定，且与壁面换热、薄液膜的耦合精度目前撑不起覆盖率这类定量交付；拿它看大液团飞溅的定性趋势可以，拿它交覆盖率与搅油损失数不行。
• 以为破碎判据可以照抄文献临界 We，其实临界值随 u_rel 与 δ_f 的定义方式整体漂移、公开值跨个位数到上百量级；正确做法是用同一套定义在两三个转速点算相对变化，再用透明壳可视化定本几何的阈值。
• 以为端部埋热电偶对上了就等于模型对了，其实埋偶只能反标「覆盖率 × 换热系数」的合成效果，分不出错在哪一项；要分账必须再上透明壳可视化去看液相形貌与盲区（两类数据的台位与规程见 L1-08）。

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