離心壓氣機轉(zhuǎn)子數(shù)值模擬培訓教程

1、離心壓氣機轉(zhuǎn)子數(shù)值模擬培訓教程,NUMECA FINE/TurboTM 7.4_1,目 錄,基礎知識 離心壓氣機簡介 CFD技術簡介 FINE/Turbo軟件簡介 增壓器離心壓氣機轉(zhuǎn)子數(shù)值模擬 網(wǎng)格生成 邊界設定及求解 計算結果顯示,離心壓氣機簡介,增壓器中壓氣機的任務是吸收渦輪的機械功,以提高空氣的壓力,然后經(jīng)發(fā)動機進氣管將空氣導入發(fā)動機,以達到增壓目的. 離心壓氣機由進氣道、工作輪、無葉（葉片）擴壓器、蝸殼組成。 離心壓氣機的主要參數(shù)有：轉(zhuǎn)速、壓比、效率和流量等。 離心壓氣機內(nèi)部流動的一般特征： 三維，有粘，非定常 可壓縮，跨音速 多相流動，化學反應 傳熱傳質(zhì)，流熱耦合，流固耦合，氣動噪聲

2、,CFD技術簡介,計算流體動力學（CFD）是二十世紀六十年代開始、隨著電子計算機的出現(xiàn)和應用而得以蓬勃發(fā)展的一門新興學科。 CFD是在經(jīng)典流體力學、數(shù)值計算方法和計算機技術的基礎上建立起來的。 CFD技術彌補了理論分析和實驗研究的不足，并促進了理論和實驗的發(fā)展。 應用CFD技術，在分析、掌握離心壓氣機內(nèi)部流動的基礎上，對其通流部件氣動性能進行優(yōu)化，是提高產(chǎn)品競爭力的一個有效方法。,CFD分析步驟,采用數(shù)值方法對具體的流動現(xiàn)象進行模擬的過程主要分為以下幾個步驟： 根據(jù)具體流動情況和所關心的問題，建立或選擇對應的數(shù)學模型； 如歐拉方程，雷諾平均的NS方程，湍流模型等 根據(jù)所選擇的模型，對計算區(qū)域進

3、行網(wǎng)格剖分； 選擇對應的流體屬性； 如理想氣體、實際氣體、水 采用合理的邊界條件； 根據(jù)具體條件或?qū)嶒?，設定進、出口條件、固壁邊界 流場求解； 選擇數(shù)值方法、收斂準則等 計算結果處理和顯示。 制做各種定性、定量物理量圖線,CFD分析步驟,1. 網(wǎng)格生成,工業(yè)問題,2. 給定流體特性 3. 給定邊界條件,4. 流場求解,5. 數(shù)據(jù)處理及演示,Backflow,CFD求解器數(shù)學模型,DNS：在非定常條件下求解NS方程及所有尺度的湍流渦旋網(wǎng)格非常密（約為RANS的105倍） LES：在非定常條件下求解“過濾”后的NS方程及最大的渦旋而模擬小的渦旋網(wǎng)格較密（約為RANS的100倍） RANS：求解“平

4、均的”NS方程而模擬所有的湍流渦旋，網(wǎng)格的數(shù)量級為幾十萬到幾百萬 （可在較好的PC機上實現(xiàn)）,勢流、（兩類相對流面理論）、無粘/粘性流、定常/非定常、雷諾平均NS方程+湍流模型（RANS），大渦模擬（LES），NS方程直接解（DNS）,Fine/Turbo軟件組成,IGG 交互式分區(qū)結構化網(wǎng)格生成器 可高質(zhì)量地生成任意復雜區(qū)域的網(wǎng)格 AutoGrid 柱形回轉(zhuǎn)面結構(如攪拌器及透平機械)自動網(wǎng)格生成器 可以方便、快速地生成包括離心、軸流壓縮機、泵、風機、透平、燃氣輪機、航空發(fā)動機、增壓器、內(nèi)燃機等多種對象的旋轉(zhuǎn)機械葉片網(wǎng)格 EURANUS 全二階精度結構化塊網(wǎng)格求解器 基于密度求解方法保證了快

5、速的流場收斂速度 采用多重網(wǎng)格技術，顯著提高計算速度 提供了針對透平機械專用的邊界及初場給定方法 CFView 功能強大的流場顯示后處理器 提供定性、定量參數(shù)分析，并提供針對透平機械專用的參數(shù)顯示功能（如子午平均、葉片葉片）,培訓內(nèi)容,帶分流葉片離心壓氣機葉輪數(shù)值模擬，主要包括： 網(wǎng)格生成：AutoGridTM 計算設定和求解：FINETM 結果處理：CFViewTM,準備工作,用三維繪圖軟件PRO/E、UG、SOLIDWORKS.等繪制要計算的葉輪三維圖或子午面圖，并將這些圖存為.igs或.iges格式的文件。 沒有三維繪圖功能的CAD無法繪制或打開.igs文件，要通過proe、UG等轉(zhuǎn)換成

6、DWG格式才能打開。Fine只能打開.igs或.iges格式的文件。Iges（initial graphics exchange specification）是業(yè)界通用三維數(shù)據(jù)（點，線，面等）的一種交換標準。但轉(zhuǎn)換時有時容易破面。,準備工作,2. 打開FINE界面(開始程序NUMECA software fine74_1 FINE) 3. 選擇創(chuàng)建一個新的工程文件（Create a New Project），命名為compressor.iec。 4. 在彈出的網(wǎng)格選擇對話框中，選擇Create Grid File來打開IGG窗口。,第一部分 網(wǎng)格生成,帶分流葉片離心壓氣機網(wǎng)格生成 操作及示例,

7、網(wǎng)格生成步驟,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),幾何數(shù)據(jù)的準備有兩種方法，一種是通過AutoGrid專用的幾何文件格式準備為GeomTurbo文件，另外一種方法是通過IGG從三維模型中提取所需的幾何型線及面。一般工程中都是從圖紙開始準備，因此這里著重介紹第二種方法。,基本思路：,在CAD作出的圖形中，葉片型面可能是由很多個小面組成，組成面的弧線通常也會由若干段弧線拼成。而用在AutoGrid中的幾何，希望葉片不同截面(根部、頂部)的型線控制點數(shù)盡可能相同或相似，這樣可以減小或消除幾何上的誤差。因此，通常需要對已有的型線進行重新描述。常用的方法是貼網(wǎng)格面，通過控制網(wǎng)格點數(shù)及分布來控制幾何線的控制點數(shù)及分

8、布。,由于葉片通道是周期性的，每個流道內(nèi)的流動情況都相同(只計算葉輪通道，不考慮下游渦殼不對稱性對葉輪內(nèi)流動的影響)，因此計算的時候只需計及一個通道即可。故可選任一長葉片及其相鄰的短葉片作為取型及計算對象。,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),將準備好的葉輪文件（.igs格式）輸入IGG， (File Import IGES DATA)，然后關閉輸入窗口(CLOSE)。 IGG中每條線都對應有一個名稱。如果原始的名稱相同，在IGG中調(diào)入后，會彈出一個對話框，此時只要選擇“Auto Rename”即可,IGG會對其重新命名。再選擇“Apply to all”，,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),點擊右下腳顯示按鈕

9、，輸入的圖形就會顯示出來，如圖。右下角有一排按鈕，可以對顯示的圖形進行旋轉(zhuǎn)、放大等操作。,注意：AutoGrid中，葉輪的旋轉(zhuǎn)軸必須是Z軸，如果在CAD作圖時選的軸不是Z軸，需要進行旋轉(zhuǎn)操作，以符合AutoGrid的要求。,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),重新打開一個只畫有一片葉片的文件，如圖。點擊屏幕左側(cè)上方快捷面板中的“Insert New Face”。做出一個網(wǎng)格面。按圖示順序確定該網(wǎng)格面的兩個頂點。剛畫完時按ESC鍵可以取消。,附：網(wǎng)格的有關名詞,每個網(wǎng)格塊由六個面組成。 一個面（Face）可以由一個或多個片（patch）組成。 一個面由四個邊（edge）組成。 一個邊可以由一個或多個線段（

10、Segment）,一個網(wǎng)格塊內(nèi)可以插入若干個內(nèi)部網(wǎng)格面 一個網(wǎng)格面內(nèi)可以插入若干個內(nèi)部網(wǎng)格線,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),將網(wǎng)格面的頂點拖至長葉片壓力面的四個定點上。點一下網(wǎng)格面，線會變粗，頂點會顯示為方塊。點一下頂點，松開左鍵，頂點就會隨著鼠標移動，拖至合適的地方，點一下即可。此時不滿意時怎樣取消該面？隨時保存 如果葉片沿某一方向是由一條線確定的，那么網(wǎng)格面的邊會自動貼附到幾何線上。但是在本算例中，葉片繪圖時是由幾段線段組成，因此，需要在每一個線段連接點處插入點來使網(wǎng)格邊和幾何邊貼合。選擇屏幕左上方快捷面板中的”Insert vertex”(插入頂點)，會有一個頂點出現(xiàn)，將其放至網(wǎng)格面的邊上，

11、點一下，然后松開左鍵，這個點就會隨著鼠標移動，當其移動到線段連接點時，點一下松開即可。為了方便，可以把圖形放大再操作。加的位置？頂點的數(shù)目？數(shù)目對劃分網(wǎng)格和計算結果有否影響？對邊加的數(shù)目是否需要一致并對稱？ 貼好的網(wǎng)格面如圖所示。,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),Step1：準備幾何數(shù)據(jù),調(diào)整網(wǎng)格數(shù)目（目的：控制幾何線的描述）： 左鍵點擊選中需要調(diào)整的網(wǎng)格邊（該邊變?yōu)辄S色），右鍵選擇SegmentSet Number of Points,在彈出對話框中將網(wǎng)格數(shù)目設置為61，點擊Apply后關閉對話框。 用同樣的方法調(diào)整另一條邊數(shù)目為21。 這樣，該長葉片壓力面就由一個6121的網(wǎng)格面表述出來。,St

12、ep1：準備幾何數(shù)據(jù),查看生成的網(wǎng)格面：快捷面板 View/Grid/Toggle Face Grid 投影網(wǎng)格面至原始幾何面（目的：使網(wǎng)格面和原始幾何面完全貼合） 9.1 用選面模式選中原始葉輪壓力面（由若干個面組成，選中后面的四條邊顯示為紅色） 9.2 點擊快捷面板中的“Project Face”（Generate下面） 9.3 點擊Apply確定,9.3,附：如何激活選面模式,在IGG中，面的選擇模式可以通過以下幾種方法激活： 下拉式菜單GeometrySelectSurfaces 快捷鍵“Ctrl s”（IGG中區(qū)分大小寫，在按下s之前，請確認CAPSLOCK健未被激活） 在IGG窗口

13、的空白處，點擊鼠標右鍵，彈出式菜單中點擊“Select Surfaces” 當選面模式被激活時，IGG窗口下側(cè)會出現(xiàn)黃色提示文字： 在選面模式下，用戶可以通過鼠標點選相應的面。當鼠標移動至該面的位置時，面會呈現(xiàn)出藍色的網(wǎng)狀面。鼠標點擊后，面的輪廓呈紅色則被選中，面呈青色則未被選中。 在選面模式下，用戶可以連續(xù)選擇/取消選擇多個面。選面完畢后，點擊鼠標右鍵釋放選面功能，則IGG底部的提示文字消失。 在選面模式下，按下小寫字母“a”可全部選擇或全部取消選擇所有顯示的面。每按一次“a”，則全部面的被選狀態(tài)全部發(fā)生改變。,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),用貼好的網(wǎng)格面生成幾何面：在左側(cè)的快捷面板中，點擊Fr

14、om Face Grid，則會生成一個和網(wǎng)格面重合的幾何面。 取消網(wǎng)格面及邊的顯示。,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),在選面模式（ctrls）下，按下小寫字母a，釋放所有選中的面，然后鼠標點擊選中剛才生成的面（可在該面位置用鼠標中鍵切換不同的面）。 用GeometryModify Surface Representation（畫像，表示法），將選中的面沿葉高方向描述為5條曲線。在下方的輸入欄中輸入（5 2），回車確定。如果這時分不清哪個是葉高方向，可試著輸入，如果得到的不是沿葉高方向分布的5條線，可繼續(xù)執(zhí)行該操作，將輸入欄中的數(shù)字順序顛倒即可）。 取消面的選擇，通過右鍵激活選線模式（Select C

15、urves），從葉根至葉頂，依次選中這5條線，使用Geometry Create Surface lofted命令，生成loft形式的面。,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),通過Geometry View Surfaces，顯示剛才生成的面（lofted_2） 通過選面模式選中該面，用FileExportGeometry Selection將選中的面輸出為PS1.dat,作為長葉片的壓力面。 用同樣的方法將長葉片的吸力面及分流葉片的壓力面、吸力面分別輸出為SS1.dat，Splitter_PS.dat, Splitter_SS.dat。（每次選擇面前，需要按釋放先前所選的面。）,葉片的取型到此完成。下

16、面需要取出子午面的型線。,通過通過Geometry View Surfaces，顯示所有幾何面 用同樣的方法將長葉片的吸力面及分流葉片的壓力面、吸力面分別輸出為SS1.dat，Splitter_PS.dat, Splitter_SS.dat。（每次選擇面前，需要按釋放先前所選的面。）,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),重新打開一個IGG工程（ File New ），輸入子午面文件（.IGES格式）。,由于CAD中的端壁線不完整，需要對HUB（中心）和Shroud（覆蓋物）進行修補。具體的方法是沿原始端壁的走向用C樣條曲線做出所需的端壁線。,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),點擊左側(cè)快捷面板Geometry C

17、urve CSpline，按照圖示的起點開始畫起，通過若干個中間控制點，畫出一條和原始Hub線重合的線條（黃色所示）。 通過 FileExportGeometry Control Points將該線輸出為hub.dat,作為輪轂線（默認處于激活狀態(tài)）,HUB,Step1：準備幾何數(shù)據(jù),通過選線模式取消HUB線的選擇。 用同樣的方法畫出Shroud線。 通過 FileExportGeometry Control Points將該線輸出為shroud.dat,作為輪蓋線,SHROUD,附：如何激活選線模式,在IGG中，線的選擇模式可以通過以下幾種方法激活： 下拉式菜單GeometrySelectC

18、urves 快捷鍵“s”（IGG中區(qū)分大小寫，在按下s之前，請確認CAPSLOCK健未被激活） 在IGG窗口的空白處，點擊鼠標右鍵，彈出式菜單中點擊“Select Curves” 當選線模式被激活時，IGG窗口下側(cè)會出現(xiàn)黃色提示文字： 在選線模式下，用戶可以通過鼠標點選相應的線。此時，在線上點擊鼠標后，如果線的顏色為黃色，則代表該線被選中。如果線為青色，則代表該線未被選擇。 在選線模式下，用戶可以連續(xù)選擇/取消選擇多條線。選線完畢后，點擊鼠標右鍵釋放選線功能，則IGG底部的提示文字消失。 在選線模式下，按下小寫字母“a”可全部選擇或全部取消選擇所有顯示的線。每按一次“a”，則全部線的被選狀態(tài)全

19、部發(fā)生改變。,Step2：導入幾何參數(shù),從IGG切換至AutoGrid模塊,啟動AutoGrid后，會出現(xiàn)一個對話框，記錄了以前保存過的文件。用戶可以直接選擇打開。如果列表中沒有所需的文件，可以通過按鈕2選擇打開。如果是第一次啟動AutoGrid，那么這個區(qū)域則是空白的。,26.1 關閉該對話框。,2,Step2：導入幾何參數(shù),AutoGrid 5 主界面：,Step2：導入幾何參數(shù),快捷面板：,Step2：導入幾何參數(shù),在左側(cè)快捷面板Geometry Definition中打開Import CAD窗口。用戶可以在這個窗口中定義Hub，Shroud，Blade（Pressure Side、Su

20、ction Side）以及子午效應、3D效應等。,打開先前生成的hub.dat, shroud.dat, PS.dat, SS.dat, Splitter_PS.dat, Splitter_SS.dat。 （File Open ）,在葉片排參數(shù)定義過程中，必須保證該葉片排處于激活狀態(tài)，即顯示為圖示紅色！,Step2：導入幾何參數(shù),定義HUB，SHROUD。,29.1 IGG中的線段是有方向的，要使AutoGrid能正確調(diào)用，每一條線的方向必須是從進口指向出口，從葉根指向葉頂。選中所需要的線（Geometry Select Curves,黃色為選中，青色為未選中），查看線段的方向（+o），如果發(fā)

21、現(xiàn)有方向不對的線，用Geometry Modify Curve Reverse工具將該線反向。本例中在畫HUB和SHROUD線時都是從進口指向出口，因此不存在反向問題。,Step2：導入幾何參數(shù),29.2 左鍵點擊任意空白處，釋放兩條線的選擇。 29.3 點擊選中Shroud線（變?yōu)辄S色），點擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇Link to Shroud 。在AutoGrid主界面子午視圖中會出現(xiàn)Shroud 的型線。,注意：Shroud（Hub）也可用多條線段定義，但在選擇指定的時候，選擇的順序必須是從進口到出口！,Step2：導入幾何參數(shù),29.4 點擊任意空白處釋放Shroud線的選擇 29.

22、5 點擊選中Hub線，在右鍵彈出菜單中，選擇Link to Hub。,Hub和Shroud定義完后，AutoGrid會自動將兩條線的端點連接，并將所圍成的區(qū)域設定為計算域，以藍色表示。,Step2：導入幾何參數(shù),定義長葉片。 30.1 將鼠標移近長葉片壓力面，當出現(xiàn)藍色網(wǎng)格面的時候，左鍵點擊。這時該面的四條變?yōu)辄S色，表示被選中。點擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇Link to Pressure Side。這一操作將在AutoGrid主界面子午視圖中定義出葉片的壓力面。定義完成后，左鍵點擊任意空白處，面的四條邊恢復成青色，表示該面的選擇被釋放。,30.2 用同樣的方法定義長葉片吸力面(Link to

23、 Suction Side)。,注意：只有在葉片前緣和尾緣都是鈍頭的情況下需要分別link pressure side和suction side，只要有一個是圓頭，則只需同時選中吸力面和壓力面，link to blade！,Step2：導入幾何參數(shù),定義前緣、尾緣位置。,31.1 選擇長葉片進口處任意一條線（ Geometry Select Curves ），右鍵選擇Link to Leading Edge,31.2 用同樣的方法選擇長葉片出口處任意一條線，右鍵選擇Link to Trailing Edge,到此為止，大葉片的定義全部完成。由于該葉輪是半開式，葉片頂部和輪蓋間存在間隙，故葉片和

24、輪蓋并不相交。這時，AutoGrid會彈出一個右圖所示的提示框。關閉即可。,Step2：導入幾何參數(shù),定義分流葉片。,32.1 在左側(cè)快捷面板中，左鍵激活row 1，右鍵打開彈出菜單。選擇Add Blade。 32.2 激活splitter 1，按照長葉片的方法，在Import CAD窗口中定義分流葉片的吸力面、壓力面、葉片前緣、尾緣。,同大葉片一樣，在小葉片定義完后，會彈出一個提示框，提示葉片和端壁沒有相交。,定義幾何單位。,33.1 在左側(cè)快捷面板幾何定義菜單下，將幾何單位設置為Millimeters,Step2：導入幾何參數(shù),葉片延伸,34.1 激活Main Blade，在右鍵彈出菜單中

25、選擇Expand Geometry。 34.2 在Hub欄下選擇expand，設置Cut offset=0.5，Extent offset=0.5。表示將Hub線先向內(nèi)移動0.5mm，保證Hub和葉片有交線；再向外移動0.5mm，將葉片延伸至該處。 34.3 在Shroud欄下，分別設置Cut offset1，Extent offset1。 34.4 點擊Apply確定。 34.5 激活splitter1，用同樣的參數(shù)將小葉片延伸。,AutoGrid在生成網(wǎng)格時，要求葉片和端壁必須有交線，否則網(wǎng)格不能正常生成。因此，必須對葉片進行延伸。這一操作只是為了滿足網(wǎng)格生成的需要，延伸出的部分會被端壁及

26、間隙所切割，不會改變真實幾何。,Step2：導入幾何參數(shù),所有的幾何定義完全后，在計算域的前后會出現(xiàn)兩條線，表示計算域的進口位置和出口位置。如果定義不完全，那么這兩條線將不會出現(xiàn)，因此可通過這種方法檢驗幾何定義是否完全以及正確。,Step2：導入幾何參數(shù),關閉Import CAD窗口。 按照圖示調(diào)整進出口位置。,默認的進出口位置是hub和shroud兩端點的連線，用戶可根據(jù)需要或?qū)嶋H的物理情況對其位置及形狀進行調(diào)整。,控制點控制方法： 鼠標拖動: 將鼠標移至進(出)口上,當進(出)口線變?yōu)辄S色時,左鍵確定.這時會出現(xiàn)若干個控制點,鼠標移至控制點時,該點會變成黃色,左鍵點擊該點后,即可自由拖動。

27、 精確定位：當控制點變成黃色后，點擊鼠標右鍵，則會彈出文本框，用戶可輸入其（R,Z）坐標進行定位。 當進(出)口線變?yōu)辄S色時，點擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇Properties，在Shape欄中定義所需位置及形狀。,Step2：定義葉片參數(shù),左鍵激活row1（變?yōu)榧t色），在右鍵單擊彈出的菜單中選擇Properties。 在彈出的對話框中，輸入 Periodicity（葉片數(shù)）6，Rotational Speed（轉(zhuǎn)速）60000 rpm， 選擇Impeller，Centrifugal。 關閉該對話框。,NUMECA中，轉(zhuǎn)速有正負之分。可用右手法則來判斷。四指的旋向和葉輪轉(zhuǎn)動方向相同，大拇指的指

28、向和Z軸正方向相同，則轉(zhuǎn)速為正，反之則為負。,定義葉頂間隙。,40.1 激活row1，在右鍵彈出的菜單中選擇Define Shroud Gap。 40.2 在彈出的對話框中，按下圖數(shù)值定義葉頂間隙尺寸。每輸入一個數(shù)值，必須按確定。 40.3 關閉該對話框。,間隙設定： 間隙既可以是根部間隙，也可以是頂部間隙，分別對應Hub Gap和Shroud Gap. 間隙的尺寸單位和葉型數(shù)據(jù)單位相同。用戶在進行其他算例的網(wǎng)格生成時，需額外注意葉型尺寸的單位，這樣方可確定應當給定的間隙尺寸的單位是米、厘米還是毫米。 間隙中展向網(wǎng)格的數(shù)目包含在展向總網(wǎng)格數(shù)中。 AutoGrid中支持三種方式定義間隙： a.間

29、隙尺寸不變。此時只需指定前緣和尾緣的間隙尺寸為相同值即可。 b.間隙尺寸線性變化。此時需分別指定前緣和尾緣的間隙尺寸，AutoGrid會根據(jù)這兩個尺寸值進行插值確定間隙尺寸的變化規(guī)律。 c.間隙尺寸是隨意的變化形式。此時可通過Defined Shape來引入定義間隙根部的型線即可。,Step2：定義葉片參數(shù),Step3：生成默認拓撲結構,在左側(cè)快捷面板Mesh Control下，選擇Coarse。（一般來說，為了保證數(shù)值模擬的精確性，網(wǎng)格越密越好，通常都選擇Medium作為基準網(wǎng)格。本例只做演示使用，為了節(jié)省時間，故選擇了最粗糙的網(wǎng)格Coarse） 計算壁面第一層網(wǎng)格尺度,ywall為壁面第一

30、層網(wǎng)格大小，單位m； Vref為參考速度，單位m/s； Lref為參考長度，單位m； 為流體的運動粘性，單位m2/s; Y+為無量綱量，對應不同的湍流模型，有不同 的取值范圍。,這里，Vref取葉輪出口速度177.5 m/s；Lref取葉輪半徑0.02825 m；取1.4310-5m2/s; Y+取5，計算得到y(tǒng)wall110-5 m。由于本例中的幾何單位是mm，故這里需要將單位轉(zhuǎn)換為mm。因此，最后得到的第一層網(wǎng)格尺度為0.01mm。,42.1 將Cell Width設置為0.01，確定,Step3：生成默認拓撲結構,點擊（Re）set Default Topology,AutoGrid會根

31、據(jù)選擇的網(wǎng)格層數(shù)及第一層網(wǎng)格大小，自動生成一個網(wǎng)格拓撲結構。一般來說，這個默認的網(wǎng)格拓撲結構都可以獲得一個比較滿意的網(wǎng)格。當然，用戶也可在此基礎上根據(jù)需要對網(wǎng)格進行調(diào)整。調(diào)整的內(nèi)容包括兩個方面，一個是子午面，一個是葉片葉片（B2B）。,附：網(wǎng)格拓撲結構介紹（一）,H網(wǎng)格,H-I網(wǎng)格,H-O-H網(wǎng)格,附：網(wǎng)格拓撲結構介紹（二）,O 網(wǎng)格,嵌套網(wǎng)格,附：網(wǎng)格拓撲結構介紹（三）,H網(wǎng)格,蝶型網(wǎng)格,葉頂間隙,附：網(wǎng)格拓撲結構介紹（四）,Skin網(wǎng)格,子午面控制包括調(diào)整葉高方向網(wǎng)格數(shù)目，分布，以及間隙內(nèi)的徑向網(wǎng)格數(shù)目及分布。這里可不進行任何調(diào)整，使用默認拓撲結構設定的參數(shù)。,Step4：子午面控制,St

32、ep5：葉片葉片控制,葉片葉片控制包括調(diào)整網(wǎng)格拓撲形式、周向、流向網(wǎng)格數(shù)目以及間隙內(nèi)O網(wǎng)格數(shù)目。這里也不做任何修改，使用默認拓撲結構設定的參數(shù)。,Step6：生成三維網(wǎng)格,點擊工具欄中的Generate 3D，在彈出的窗口中點擊yes確認三維網(wǎng)格生成。,最終生成的網(wǎng)格，不能存在負網(wǎng)格，否則計算無法進行。 原則上，最小正交性角度越接近90越好；最大網(wǎng)格長寬比越接近1越好；最大網(wǎng)格延展比越接近1越好。但實際中，很難得到三者兼得得網(wǎng)格質(zhì)量，所以一般推薦： 最小網(wǎng)格正交性角度5 最大網(wǎng)格長寬比5000 最大網(wǎng)格延展比10 應當盡可能地提高網(wǎng)格質(zhì)量，以避免不必要的數(shù)值誤差。 對于網(wǎng)格正交性而言，在某些算

33、例中，可能甚至會出現(xiàn)角度小于1的情況。但一般而言，只要不存在負網(wǎng)格，計算就可以進行。,Step7：檢查網(wǎng)格質(zhì)量,三維網(wǎng)格生成后，會自動彈出一個網(wǎng)格質(zhì)量檢測報告。通過這個報告，用戶可以粗略地了解所生成網(wǎng)格的最小正交性，最大長寬、最大延展比及其分布。,附：網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)定義,正交性（Orthogonality）：網(wǎng)格相鄰兩條邊之間相互垂直的程度。二維標準，范圍0-90。正交性表征網(wǎng)格面兩條邊之間的最小角度。如果兩條邊的夾角大于90，則正交性按（180-實際角度）確定。 長寬比（Aspect Ratio)：如圖示。 二維標準，范圍1-10000。如果實際值超出這 個范圍，重置為10000。 延展比（E

34、xpansion Ratio)：如圖示。 三維標準，范圍 1-100。表征相鄰兩個網(wǎng)格 的大小變化。和方向有關。如果實際值超出 這個范圍，重置為100。 如果在某個方向只 有一個網(wǎng)格，那么這個參數(shù)沒有任何意義。,Step7：檢查網(wǎng)格質(zhì)量,除了質(zhì)量報告外，AutoGrid還提供了詳細的網(wǎng)格檢測工具，包括各個block的正交性，長寬比，延展比，以及邊界條件，負網(wǎng)格檢測等。用戶可根據(jù)需要選取相應的菜單命令。,查看各個block中的網(wǎng)格質(zhì)量。,在Type下拉菜單中可以選擇想要查看的量，并在Block下選擇相應的塊，回車確定后，可用該頁面下的Show chart和More info查看詳細信息。,Ste

35、p7：檢查網(wǎng)格質(zhì)量,查看邊界條件（Boundary Conditions）,三維網(wǎng)格生成結束后,AutoGrid會自動設定邊界類型,其中包括:進出口邊界(INL,OUT),周期性邊界(PER/PERM)，連接邊界(CON/NMB)，固壁邊界(SOL)等.,在IGG/AutoGrid中,支持用戶人工設定的邊界條件類型包含: UND:未定義條件(Undefined); SNG:奇線邊界條件(Singular); EXT:遠場邊界條件(External),用于外流; SOL:固壁邊界條件(Solid); INL:進口邊界條件(Inlet); OUT:出口邊界條件(Outlet); ROT:轉(zhuǎn)靜子交接

36、面邊界(Rotor/Stator); MIR:鏡像邊界條件(Mirror); FNMB: 完全非匹配邊界條件(Full Non-matching Boundary);,在IGG/AutoGrid中,可自動搜索出的邊界類型包含: CON:匹配連接邊界(Connection); NMB:非匹配連接邊界(Non Matching Boundary); PER:匹配周期邊界(Periodicity); PERNM:非匹配周期邊界(Periodicity Non-Matching ).,附：邊界條件連接邊界,直接連接（CON）,非匹配連接（NMB）,全非匹配連接（FNMB）,附：邊界條件周期邊界,附：邊

37、界條件對稱邊界,對稱邊界（MIRror 邊界） 幾何對稱和流場對稱 例如直列葉柵的中葉展面,對稱面,附：邊界條件遠場邊界,遠場邊界（EXT邊界） 主要用于外流分析 繞彈體網(wǎng)格外邊界均為遠場邊界,附：邊界條件奇面邊界,奇面邊界（SNG 邊界） 一個邊界面退化成一條線,奇面邊界,附：轉(zhuǎn)/靜子交界面,轉(zhuǎn)/靜子交界面（ROT邊界）,Step8：保存網(wǎng)格及模板,File Save project,這一操作可將網(wǎng)格及模板同時保存。在用戶目錄中，生成12個文件，包含了所有的網(wǎng)格信息。主要的幾個有： *.geomTurbo：幾何模板，記錄了所有的幾何信息。 *.trb：網(wǎng)格模板文件，記錄了所有的網(wǎng)格控制參數(shù)，

38、用戶在下次需要生成網(wǎng)格的時候可以直接打開該文件。 *.igg：網(wǎng)格文件，為FINE計算所需。,如果不再對網(wǎng)格質(zhì)量進行一步的改進，即可跳過下面的網(wǎng)格調(diào)整部分，返回FINE界面，進行計算設定。,網(wǎng)格調(diào)整：子午面控制,調(diào)整展向網(wǎng)格數(shù)目及分布,48.1 將Flow Paths Number調(diào)整為49。這49個節(jié)點是展向的總網(wǎng)格點，包括間隙內(nèi)網(wǎng)格點。 48.2 按照右圖數(shù)目調(diào)整展向網(wǎng)格分布。（Flow Path Control） 48.3 點擊Generate后，關閉該對話框。,調(diào)整間隙內(nèi)網(wǎng)格數(shù)目及分布,49.1 在Main Blade下激活Tip gap，在右鍵彈出菜單中選擇Properties。在彈

39、出對話框中設定長葉片間隙內(nèi)網(wǎng)格數(shù)目及分布。,49.2 激活splitter1下的間隙，按照上述方法設定短葉片間隙內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)目及分布（參數(shù)同長葉片）。,49.3 點擊Generate Flow Paths后關閉該對話框。,網(wǎng)格調(diào)整：葉片葉片控制,在row1下激活Main blade。以下的操作都是針對長葉片。打開B2B Mesh Topology Control窗口。,50.1 打開Topology項。,這一頁面可以設置匹配/非匹配周期邊界及進出口形式。對于本算例，AutoGrid自動生成了匹配的周期邊界（matching）。為了改善網(wǎng)格質(zhì)量，將其改為非匹配（non-matching）。進出口形

40、式都為Normal。用戶可根據(jù)需要調(diào)整。,50.2 打開Grid Points項。,按照右圖相應的數(shù)目調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量。為了保證計算時可以采用至少三層的多重網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目必須為2n+1（n2）。,50.3 激活Mesh項。,將間隙內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)（Number of Point in Clearance O-mesh）設置為5。,50.4 關閉該窗口。,在row1下激活Splitter1。打開B2B Mesh Topology Control窗口。用同樣的步驟按右圖參數(shù)調(diào)整短葉片的網(wǎng)格。,在工具欄中點擊Generate B2B按鈕，更新B2B網(wǎng)格。,網(wǎng)格調(diào)整：葉片葉片控制,NUMECA為了加速收斂，采用

41、了多重網(wǎng)格技術（詳細介紹參見FINE計算設定中數(shù)值模型，即Numerical Model部分）。而多重網(wǎng)格的層數(shù)是通過網(wǎng)格數(shù)目來確定的。因此，為了滿足計算時能夠采用多重網(wǎng)格，在設置網(wǎng)格數(shù)目時就要滿足一定的要求。,如：17241，min（n）4，即滿足5重多重網(wǎng)格。 61252423221，min（n）2，即滿足3重多重網(wǎng)格。,附：網(wǎng)格數(shù)目調(diào)整原則,（n 2）,多重網(wǎng)格的層數(shù)為：min（n）1,在IGG/AutoGrid中，用戶可以方便地通過網(wǎng)格輸入框右側(cè)的箭頭選擇網(wǎng)格數(shù)目，以保證其符合多重網(wǎng)格的要求。,網(wǎng)格調(diào)整：葉片葉片控制,調(diào)整網(wǎng)格光順步數(shù)。,光順步數(shù)越大，網(wǎng)格過渡越圓滑，但是網(wǎng)格生成所需的

42、時間也越長。 用戶可嘗試改變光順步數(shù)（0，50），更新B2B網(wǎng)格后觀察網(wǎng)格的變化。 本例使用默認值100。,重新生成三維網(wǎng)格。,可以看到經(jīng)過調(diào)整，網(wǎng)格質(zhì)量有所提高。,重新保存網(wǎng)格。,至此，網(wǎng)格生成部分已全部完成，下面進行計算設定。,第二部分：FINETM,帶分流葉片離心壓氣機計算設定 操作及示例,FINE/Turbo主界面,從AutoGrid中切換至FINE界面：,You are now back to FINE graphical user interface！,計算設定步驟,Step1：鏈接網(wǎng)格,點擊選擇網(wǎng)格文件按鈕，指定前面生成的網(wǎng)格文件（compressor.igg）。 設定網(wǎng)格屬性（

43、Millimeter，Cylindrical，3 Dimensions）。,如果在設定完成后，需要變更網(wǎng)格屬性，可通過菜單Mesh Properties修改。,如果需要變更網(wǎng)格文件，可通過文件夾按鈕來指定。,Step2：創(chuàng)建或更改計算名稱,2.1 為計算更名： 點擊計算名（變?yōu)樗{色高亮度框） 單擊鼠標右鍵，選擇Rename或者在頂部菜單中單擊Rename 輸入新的計算名并回車確定,2.2 創(chuàng)建或復制當前計算： 點擊計算名（變?yōu)樗{色高亮度框） 單擊鼠標右鍵，選擇New-Duplicate或者在頂部菜單中單擊New 輸入新的計算名并回車確定,2.3 刪除當前計算： 點擊計算名（變?yōu)樗{色高亮度框）

44、單擊鼠標右鍵，選擇Remove或者在頂部菜單中單擊Remove OK確認。,該操作可得到一個與原有計算完全相同的計算，對于進行變工況非常適用，用戶只需要改變幾個參數(shù)即可，其他完全不用改變。,Step3：選擇工作介質(zhì),Parameters Configuration Fluid Model (雙擊),3.1 選擇AIR（Perfect）作為工作介質(zhì)（單擊，變?yōu)樗{色高亮度框為選中）,用戶可以在已有的流體列表中選擇相應的工作介質(zhì)。如果列表中沒有需要的流體，可以通過Add New Fluid來定義新的流體。,Step4：設定流動模型,Parameters Configuration Flow Mode

45、l (雙擊),4.1 選擇Steady選項（定常計算） 4.2 選擇Turbulent Navier-Stokes方程組及Spalart-Allmaras湍流模型 4.3 定義參考長度：Length=0.02825m, Velocity=177.5m/s, Density=1.2kg/m3, Temperature=293K, Pressure=101300Pa.,參考長度是用來計算雷諾數(shù)（Reynolds）的，對收斂性和計算結果等沒有任何影響。為了簡便起見，這里的取值和網(wǎng)格生成時計算y+所用的值保持一致。,對層流流動： 未知量為：密度r、三個速度分量和溫度。 壓力可由狀態(tài)方程求出。理想氣體的

46、狀態(tài)方程為,附：湍流模型,控制方程,六個未知數(shù)、六個方程，方程封閉,對湍流流動： 假設任何流動參數(shù)其時均值其脈動值 對NS方程進行時均處理后 RANS方程新的未知量:雷諾應力張量,方程不再封閉,采用湍流模型封閉方程,零方程模型 BaldwinLomax（簡稱BL模型） 特點：簡單易用，可用于附著流動和小的分離流動。往往過度模擬分離流動。,附：湍流模型,一方程模型 Spalart-Allmaras模型（簡稱SA模型） 特點：加入一個控制方程，與BL模型比較，求解速度慢、空間需求大，計算精度高?？赡M流動分離和邊界層轉(zhuǎn)捩。,兩方程模型 k-模型 特點：加入兩個控制方程，與SA模型比較，求解速度慢、

47、空間需求大；計算精度近似，可模擬小尺度流動分離?？傻玫酵膭幽芎秃纳⒙实姆植肌?Step5：設定轉(zhuǎn)動部件,Parameters Configuration Rotating Machinery (雙擊),在這一頁面中，F(xiàn)INE根據(jù)AutoGrid中定義的葉片排，自動將block組合，并按照AutoGrid/Properties中設定的轉(zhuǎn)速，自動設置Rotational Speed。因此，這里不需要用戶做任何修改。,Step6：設定邊界條件（BC）,Parameters Boundary Conditions (雙擊),6.1 打開網(wǎng)格 Mesh/View On/Off 6.2 拖動網(wǎng)格區(qū)域左上角

48、的按鈕，同時顯示邊界設定區(qū)域和網(wǎng)格。,附：進口邊界給定方式,亞音速 （絕對馬赫數(shù)的子午分量1） 要給定所有的未知量的值,附：出口邊界給定方式,亞音速 （絕對馬赫數(shù)的子午分量1） 不用給定任何條件 。,Step6：設定邊界條件（BC）,6.3 進口邊界條件（INLET）,選擇INLET，選中所有patch，將其組合為Inlet。 給定進口邊界： 軸向進氣 總壓101325 Pa 總溫293 K 進口湍流粘性3e-5 m2/s,Step6：設定邊界條件（BC）,6.4 出口邊界條件（OUTLET）,選擇OUTLET，選中所有patch，將其組合為Outlet 給定出口邊界條件 平均靜壓105000

49、 Pa,Step6：設定邊界條件（BC）,6.3 周期性邊界條件（PERIODIC） 無需做任何更改,Step6：設定邊界條件（BC）,6.4 固壁邊界條件（SOLID）,Fine會根據(jù)AutoGrid中設定的葉片參數(shù)，自動將轉(zhuǎn)動部分（Hub&Blade）組合，并設置好轉(zhuǎn)速，因此用戶如果沒有特殊要求，該頁面也不需要設定。,選擇SOLID，查看其設定。 將其余的patch組合為Shroud，使用默認的設置。,取消網(wǎng)格顯示 Mesh/View On/Off,Step7：設定數(shù)值參數(shù),Parameters Numerical Model (雙擊),這一頁面中的參數(shù)可使用默認值，不需要改變。,附：CF

50、L數(shù),CFL (Courant-Friedrich-Levy)數(shù)或庫朗特數(shù) 是一個控制時間步長的參數(shù)。CFL越大，時間步長就大，計算的時間就短。 但由于穩(wěn)定性的限制，CFL不能很大。一般在0.510的范圍之內(nèi)。常用值為24。 對于復雜問題，CFL要??；接近喘振/失速工況，CFL要小。 細網(wǎng)格計算的CFL要比粗網(wǎng)格時小。,近似的：,附：多重網(wǎng)格法,一種加速收斂的方法,細網(wǎng)格 0,粗網(wǎng)格 1,粗網(wǎng)格 2,對于三維問題： 網(wǎng)格000：在I， J， K方向的網(wǎng)格點數(shù)為所用網(wǎng)格的最大點數(shù)（如33，65，49） 網(wǎng)格111：在I， J， K方向的網(wǎng)格點數(shù)分別比網(wǎng)格000時約少一半（如17，33，25） 網(wǎng)

51、格222：在I， J， K方向的網(wǎng)格點數(shù)分別比網(wǎng)格111時約少一半（如9，17，13） 對于網(wǎng)格012，其網(wǎng)格點數(shù)：33，33，13,附：多重網(wǎng)格法,V形多重網(wǎng)格循環(huán),在從細網(wǎng)格0粗網(wǎng)格1粗網(wǎng)格2 粗網(wǎng)格2 粗網(wǎng)格1細網(wǎng)格的工程中，在每個網(wǎng)格層上都要進行若干從RungeKutta計算或稱為sweep（掃掠）。 缺省的sweep次數(shù)為：網(wǎng)格0：1次；網(wǎng)格1：2次；網(wǎng)格3：4次； 。 為了提高計算速度和計算的穩(wěn)定性，也可采用：網(wǎng)格0：1次；網(wǎng)格1：4次；網(wǎng)格2：8次； 。,附：全多重網(wǎng)格（Full Multi Grid）,第3層,第2層,V-Cycle 全多重網(wǎng)格示意圖,第1層,全多重網(wǎng)格循環(huán),第

52、0層,N次單一網(wǎng)格計算,N次三重網(wǎng)格計算,在粗網(wǎng)格上計算，速度快。 殘差降到-3左右即可,三層多重網(wǎng)格,Step7：設定數(shù)值參數(shù),在窗口右上角的下拉框中選擇專家模式（Expert Mode）,為了加速收斂，可增大在粗網(wǎng)格上的循環(huán)次數(shù)，以得到較好的初場。,7.1 在Scheme definition中，選擇User Defined。 7.2 將Number of sweeps on successive grid levels中設為“1 4 8”。,增大粗網(wǎng)格上的循環(huán)次數(shù)可增強收斂穩(wěn)定性，并顯著提高收斂速度。但是循環(huán)次數(shù)越大，每一步迭代所需的時間也越長。,Step8：設定求解初場,Paramet

53、ers Initial Solution (雙擊),For turbomachinery是特別針對葉輪機械的一種初場給定方式。這里只需要給定進口的壓力（如果有轉(zhuǎn)靜子面的話，還需給出轉(zhuǎn)靜子面處的壓力）。,8.1 設定Estimated static pressure90000Pa,初場對最終的收斂結果沒有影響。但一個較好的初場可以大大提高收斂速度，而一個不合理的初場很可能導致計算在一開始就發(fā)散。,Step9：輸出變量設定,Parameters Outputs (雙擊),輸出變量中有幾個量是必選的：靜溫、靜壓、密度、相對速度。其他的熱力學參數(shù)都可以在CFView中通過這幾個量計算得到，無需在FIN

54、E中輸出，這樣可以節(jié)省存儲空間及時間。為了簡化設定，F(xiàn)INE中已將這幾個量自動選定。 其他幾個子頁面中，常用的幾個量也已作為默認設定勾選，因此如沒有特別要求，這里不需要進行設定。,Step10：控制參數(shù)設定,Parameters Computation Steering Control Variables (雙擊),10.3 Save Solution Every (100) Iterations:中間結果保存設定 10.4 Minimum output：最小輸出選項（不激活） 10.5 Set the required memory:內(nèi)存需求設定(無需更改) 10.6 專家參數(shù)（無需更改）,

55、到此為止，所有的計算設定已全部完成！,10.7 保存文件（FileSave）,10.1 Maximum Number of Iterations：在細網(wǎng)格上的迭代次數(shù)(500) 10.2 Convergence Criteria:收斂量級（- 6）,Step11：開始計算,11.1 在菜單中選擇SolverStart,或在圖標欄中點擊開始圖標，開始計算。,11.2 雙擊Parameters Computation Steering Convergence History，觀察收斂歷史。,用戶也可在Monitor中查看詳細的收斂史，包括每一個block的殘差收斂史，進出口流量收斂史，壓比收斂史等

56、等。關于Monitor詳細的說明請參見FINE用戶手冊。 12.1 在Windows下：開始程序NUMECA software fine74_1 Monitor 12.2 通過Add，加載當前計算的res文件。,Step12：查看收斂史,附：計算殘差定義,計算殘差 收斂后為計算殘差值：,理想值,實際可達到值,全局殘差：建議全局殘差下降三個量級以上。 各塊中殘差：由于各塊中網(wǎng)格質(zhì)量以及流動特性的不同，每一塊中的殘差下降幅度也會不同。但仍然推薦計算中,每一塊中的殘差下降三個量級以上。 進出口流量：收斂準則中最重要的一個參數(shù).建議進出口流量相對誤差小于0.5%，且流量步再發(fā)生變化。對于有大分離渦的流

57、動(尤其在進出口處)，流量收斂曲線會發(fā)生振蕩，此時由于迭代中分離渦的位置和強度都會發(fā)生不同程度的變化，呈現(xiàn)非定常特性，因此流量也會隨之發(fā)生變化(但這種變化近似為周期性)。在這種情況下，也可認為計算收斂。 流場當?shù)刂担河嬎愕諗繒r，流場每一點處的參數(shù)值不應當再發(fā)生變化，或者對于有分離渦的情況，渦內(nèi)某一點的參數(shù)應當為周期性變化。用戶可以在FINE介面中跟蹤某一特性點的參數(shù)，并觀察其變化參數(shù)。 總體參數(shù)：對于定常計算,所有的總體性能(效率、扭矩、推力等）都應當變?yōu)楹愣ㄖ担辉匐S迭代步數(shù)而發(fā)生變化。對于有大分離的情況，這些參數(shù)則會呈現(xiàn)周期性變化。這兩種情況下都可認為計算收斂。對于非定常計算，所有的參

58、數(shù)都應當呈現(xiàn)近似周期性變化。,附：收斂標準,13.1 計算掛起：Solver/Suspend，求解器會在當前計算步完成后，存儲結果并停止。,Step13：掛起計算,14.1 新建若干個計算，依次修改其邊界條件及初場，以計算工況線。對于壓氣機計算，可通過改變出口背壓來計算工況線。 14.2 保存.run文件,Step14：多工況點計算,將已經(jīng)收斂的結果做為初場附給新的計算，可大大縮短收斂時間。,14.3 打開Task Manager 14.4 添加子任務，依次指定相 應的.run文件,Step14：多工況點計算,14.5 選擇Run After Previous Subtask。 14.6 點擊

59、Start開啟計算。Fine會在第一個subtask完成后自動開啟第二個。,Step14：多工況點計算,該功能在進行工況線計算時非常方便，用戶只需提前設定好邊界條件，在任務欄中添加任務，F(xiàn)ine會自動按順序依次執(zhí)行，而不需要在一個計算完成后人為開啟下一個。,附：主要計算結果文件,.cgns 求解結果，存儲流場內(nèi)所有離散點的參數(shù)值，用于續(xù)算或者后處理（二進制存儲格式） .mf 存儲進出口平均值及總體性能（文本格式） .res 存儲計算過程中的迭代殘差（文本格式） .log 記錄當前計算的所有信息，包括錯誤提示、警告信息等（文本格式） .steering 記錄任務管理器中顯示的跟蹤參數(shù)信息（文本格式） .std 記錄當前計算迭代過程的所有信息，包括掛起、刪除、迭