OpenFOAM v2512 AMI 滑移网格：非共形接口理论、旋转域设置与验证

AMI 是 OpenFOAM 中处理非共形滑移接口的核心技术。

AMI 的全称是 Arbitrary Mesh Interface。它允许两个几何上相互对应的接口采用不同的面划分，并在相对运动过程中持续更新映射关系。

1. AMI 解决什么问题

设旋转域与静止域在一个圆柱面上相接。

如果要求接口两侧始终共形，则旋转后两侧面节点不再重合。除非重新连接拓扑，否则共形网格无法持续旋转。

AMI 的处理方式是：

• 旋转域和静止域分别拥有自己的接口面；
• 两组面在几何空间中重合或充分覆盖；
• 两侧网格面不需要一一对应；
• 根据面面积交叠关系建立插值权重；
• 在每个时间步更新映射。

AMI 只在二维接口上传递信息，而 Overset 在三维重叠单元区进行供体—受体插值。

2. AMI 的面积映射思想

设源面 (S_i) 与目标面 (T_j) 的交叠面积为 (A_{ij})，则基本权重可写为：

[ w_{ij}=\frac{A_{ij}}{A_i} ]

高质量 AMI 映射应满足：

• 权重和接近 1；
• 接口覆盖完整；
• 不存在大面积未覆盖区域；
• 源侧与目标侧总通量一致或足够接近；
• 映射误差不随旋转角周期性累积。

v2512 的 cyclicAMIPolyPatch 基于 AMI 插值框架，并包含面匹配和拓扑更新相关能力。

3. AMI 与普通 cyclic 的区别

4. 网格几何要求

4.1 两侧接口必须几何对应

对于旋转机械，常见接口是圆柱面、圆环端面或周期扇区面。接口外轮廓必须匹配，面划分可以不同，但不能明显错位。

4.2 法向方向应合理

两个相对 patch 的面法向通常应指向各自区域外部，因此方向相反。

4.3 覆盖率必须检查

若一侧接口不能完整覆盖另一侧，可能出现低权重修正、权重和显著小于 1、局部质量流量误差和压力振荡。

4.4 接口不要穿过关键边界层

AMI 接口最好远离叶片壁面、叶尖泄漏核心、强激波、火焰反应层和主要涡核。

5. constant/polyMesh/boundary 设置

旋转侧：

rotorAMI
{
    type            cyclicAMI;
    neighbourPatch  statorAMI;
    transform       rotational;
    rotationAxis    (0 0 1);
    rotationCentre  (0 0 0);
    matchTolerance  0.0001;
    nFaces          ...;
    startFace       ...;
}

静止侧：

statorAMI
{
    type            cyclicAMI;
    neighbourPatch  rotorAMI;
    transform       rotational;
    rotationAxis    (0 0 1);
    rotationCentre  (0 0 0);
    matchTolerance  0.0001;
    nFaces          ...;
    startFace       ...;
}

nFaces 和 startFace 通常由网格工具生成，不应手工猜测。

6. 场文件边界条件

在 0/U、0/p、0/k 等场文件中：

rotorAMI
{
    type cyclicAMI;
}

statorAMI
{
    type cyclicAMI;
}

所有需要跨接口耦合的求解变量都应采用匹配的 AMI 边界类型。

7. 旋转域的动态网格设置

典型 constant/dynamicMeshDict：

dynamicFvMesh   dynamicMotionSolverFvMesh;

solver          solidBody;

solidBodyCoeffs
{
    cellZone    rotor;

    solidBodyMotionFunction rotatingMotion;

    rotatingMotionCoeffs
    {
        origin  (0 0 0);
        axis    (0 0 1);
        omega   104.719755; // 1000 r/min
    }
}

转速换算：

[ \omega=\frac{2\pi n}{60} ]

其中 (n) 的单位为 r/min，(\omega) 的单位为 rad/s。

对于一般旋转机械，常用组合是 dynamicMotionSolverFvMesh + cyclicAMI。v2512 也包含 dynamicMotionSolverFvMeshAMI 类，但不应在没有明确需要时机械替换普通设置。

8. 建模流程

步骤一：划分旋转域和静止域

旋转域应完整包围所有运动壁面。AMI 接口通常采用规则圆柱或圆环。

步骤二：分别生成两侧网格

可采用两个独立 blockMesh、blockMesh 与 snappyHexMesh 组合，或外部软件生成后导入。

步骤三：建立 cellZone

运动求解器通过 cellZone 识别旋转单元：

topoSet
setsToZones

步骤四：创建 cyclicAMI patch

确保 patch 成对、外形一致、旋转中心和轴一致，不存在重复面或缝隙。

步骤五：先做静态映射检查

checkMesh -allGeometry -allTopology

同时查看求解器启动时打印的 AMI 权重和覆盖信息。

步骤六：低转速短时试算

先使用较小时间步，观察 AMI 权重、连续性误差、接口两侧压力速度以及旋转一周后的周期重复性。

9. 时间步选择

AMI 动态计算除流体 Courant 数外，还应控制每个时间步的转角：

[ \Delta\theta=\omega\Delta t ]

时间步过大时，叶片单步跨越多个接口单元，周期压力波分辨率不足，映射变化过快，相位误差增大。

对于叶片通过问题，应根据叶片数和目标时间分辨率确定每个叶道通过周期的时间步数，而不是只满足最大 Courant 数。

10. AMI 的误差来源

10.1 两侧尺寸差异过大

细网格侧的小尺度结构映射到粗网格后会被平滑。

10.2 接口位置不当

若接口穿过强剪切层或涡核，插值耗散会直接影响主要物理结论。

10.3 覆盖不足

接口外轮廓不一致会产生低权重区。

10.4 时间步过大

几何映射虽能更新，但流动非定常过程无法正确解析。

10.5 周向分辨率不合理

旋转侧和静止侧不必相同，但不应相差过大。应根据叶片尾迹、压力波和射流宽度设计周向单元尺寸。

11. 质量守恒检查

至少监控：

• 入口质量流量；
• 出口质量流量；
• AMI 两侧积分通量；
• 全域连续性误差；
• 一个旋转周期内累计误差。

可定义：

[ \varepsilon_m= \frac{|\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}}|} {\max(|\dot m_{\mathrm{in}}|,\epsilon)} ]

对于周期稳态问题，还应比较相邻周期的流量、转矩和压差。

12. 应用案例一：搅拌槽

模型包括内部旋转叶轮区、外部固定槽体和圆柱 AMI 接口。

研究指标：

• 叶轮转矩；
• 功率数；
• 循环流量；
• 混合时间；
• 湍动能分布。

验证时应比较实验功率数或速度剖面，而不能只看残差。

13. 应用案例二：轴流风机

旋转域包含叶轮，静止域包含进口、出口和机壳。

关键问题：

• 叶尖间隙是否位于旋转域内；
• AMI 是否避开叶尖泄漏涡核心；
• 转子—定子相互作用是否需要完整周向模型；
• 压力脉动采样频率是否足够。

14. 应用案例三：旋转格栅送风

若格栅绕固定轴连续转动，并可在格栅周围建立规则圆柱接口，AMI 是较自然的选择。

推荐策略：

1. 格栅叶片和近场射流位于旋转域；
2. AMI 接口离叶片保持一定距离；
3. 接口两侧网格尺度接近；
4. 远场车间保持静止；
5. 比较真实 AMI 结果与时变边界等效模型。

如果格栅存在偏心、摆动和平移组合，Overset 通常更灵活。

15. AMI、MRF 与 Overset 的选择

16. 常见错误

• AMI 两侧体积网格发生重叠；
• 只修改 patch 类型，没有建立运动 cellZone；
• 把 AMI 接口贴在叶片表面；
• 使用稳态求解器做真实滑移；
• 只看残差，不检查接口覆盖和质量守恒。

参考资料

• OpenFOAM v2512：cyclicAMIPolyPatch
• OpenFOAM v2512：dynamicMotionSolverFvMeshAMI 目录
• Aguerre 等：非共形接口的守恒 supermesh 方法

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