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NASAStage35压气机培训教程 FINE Turbo NASAStage35简介 NASASTAGE35最初是为一个四级轴流压气机的实验研究所设计的 它按照典型航空发动机高压压气机进口级所要求的气动参数进行设计 设计转速 设计流量 培训内容 AutoGridTM网格生成FINETM计算设定CFViewTM结果处理 关键内容的掌握 定义多排叶片定义O4H及H I拓扑结构生成及优化B2B网格调整B2B和3D网格质量流动参数的控制转静子交界面的处理 设置边界条件及初场数值模型 控制变量的设定输出变量的设定计算过程的控制收敛历史的查看计算结果的后处理 数据准备 根据不同的已知条件 准备数据 已知叶型截面数据 已知叶片三维造型图 写geomturbo文件 可被Design3D调用 在AutoGrid5中生成面 指定所需的数据 通过铺网格面 得到数据点分布均匀的几何面 将几何面用几条线段描述 输出线坐标 HUB 轮毂 轮盘 下端壁 内环壁SHROUD 轮缘 轮盖 上端壁 外环壁SuctionSide 叶片吸力面PressureSide 叶片压力面LeadingEdge 叶片前缘线TrailingEdge 叶片尾缘线Spanwise 展向 叶高方向Azimuthal 周向 叶片 叶片方向 B2B Streamwise 流向Meridional 子午面Periodicity 周期 叶片数 常用术语 geomTurbo文件格式 GEOMETRYTURBOVERSION5 5geometric tolerance1e 006units1number of blades7HUBXYZpolyline3530 020 0 15 0 29989873873077800 0150000000000001SHROUDXYZpolyline3530 020 0 15 0 2999576260239280 0 0149999999999999 pressureSECTIONAL5 section1XYZpolyline65 0 0970030 0546094766 0 064355284 section2 section5 suctionSECTIONAL5 section1 从三维图提取所需数据 叶轮数据提取 1 运行IGG2 调入 igs文件3 铺设网格面 分别针对吸力面 压力面 4 调整网格面数目及分布5 用网格面生成几何面6 将几何面用多条曲线表示7 将这些曲线分别输出端壁数据提取 选中轮毂和轮盖上任意一条从进口至出口的曲线输出即可 第一部分 网格生成 STEP1 STEP2 STEP3 STEP4 STEP5 STEP6 STEP7 生成默认的拓扑结构 自动生成 定义 导入几何参数 定义叶片参数 子午面控制 人为设置 叶片 叶片控制 人为设置 生成三维网格 检查网格质量 保存网格及模板 可选操作 添加等Z R 线 AddZConstantLine 子午通道控制 FlowPathControl 展向网格数目 等距网格比例 叶顶 叶根间隙等 B2B网格控制 B2BMeshControl 周期性连接表面控制 匹配 非匹配 周向网格数目控制 间隙内网格控制等 光顺步数控制 OptimizationControl 观察不同叶高B2B网格分布 ActiveB2BLayer Step1几何导入 Step2检查几何 检查几何是为了避免几何线和几何面的扭曲 Step3几何定义 定义叶片参数 Rator Periodicity 36RotationSpeed 17188 7rpmRowOrientation AxialStator Periodicity 46RotationSpeed 0rpmRowOrientation Axial Step4定义FlowPath 间隙 展向网格 73间隙网格 17间隙距离 0 0408 Step5检查展向网格质量 展向网格只能检查延展比 附 网格拓扑结构介绍 一 H网格 H I网格 H O H网格 附 网格拓扑结构介绍 二 O网格 嵌套网格 附 网格拓扑结构介绍 三 H网格 蝶型网格 叶顶间隙 附 网格拓扑结构介绍 四 Skin网格 Step6B2B网格 Topology Rator Step6B2B网格 Topology Stator 附 近壁面第一层网格与壁面距离估算 近壁面第一层网格与壁面距离估算采用Blasius方程 其中 为特征速度 m s 为运动粘度 m2 s 为特征长度 m 为无量纲参数 其中特征速度为180m s 特征长度为0 25m s运动粘度为1 47e 5m2 s 假定Y 值为1 则为3e 6m Step6B2B网格 GridPoints 转子叶片网格分布 静子叶片网格分布 NUMECA为了加速收敛 采用了多重网格技术 详细介绍参见FINE计算设定中数值模型 即NumericalModel部分 而多重网格的层数是通过网格数目来确定的 因此 为了满足计算时能够采用多重网格 在设置网格数目时就要满足一定的要求 如 17 24 1 min n 4 即满足5重多重网格 61 25 24 23 22 1 min n 2 即满足3重多重网格 附 网格数目调整原则 n 2 多重网格的层数为 min n 1 在IGG AutoGrid中 用户可以方便地通过网格输入框右侧的箭头选择网格数目 以保证其符合多重网格的要求 Step6B2B网格 Expansion Cellwidth 默认勾选分流叶片选项 光顺步数越大 网格过渡越圆滑 但是网格生成所需的时间也越长 用户可尝试改变光顺步数 0 50 更新B2B网格后观察网格的变化 本例使用光顺步数 300 转子 静子叶片固壁面延展比 1 4 1 354421第一层网格尺度 0 0003 Step6B2B网格 检查质量 与FlowPath只有延展比一项网格质量不同 B2B有三项网格质量检查项 FlowPath B2B均达到标准后 生成3D网格 Step73D网格 Step73D网格质量报告 多重网格数为3 最小网格正交性角度34 681 最大长宽比1239 011 最大延展比1 867 Step8网格文件介绍 SaveProject这一操作可将网格及模板同时保存 在用户目录中 生成12个文件 包含了所有的网格信息 主要的几个有 geomTurbo 几何模板 记录了所有的几何信息 trb 网格模板文件 记录了所有的网格控制参数 用户在下次需要生成网格的时候可以直接打开该文件 igg 网格文件 为FINE计算所需 第二部分 计算设定 Step1命名 链接网格文件 建议命名 背压 转速 网格层 流动介质 树形目录 选择坐标系 网格单位 查看网格块名称 Step2工作介质FluidModel Step3流动模型FlowModel 参考长度是用来计算雷诺数 Reynolds 的 对收敛性和计算结果等没有任何影响 为了简便起见 这里的取值和网格生成时计算y 所用的值保持一致 Step4转动部件RotateMachinery 在这一页面中 FINE根据AutoGrid中定义的叶片排 自动将block组合 并按照AutoGrid Properties中设定的转速 自动设置RotationalSpeed 因此 这里不需要用户做任何修改 Step4转动部件RotateMachinery 在这一页面中 FINE根据AutoGrid中定义的叶片排 自动识别转静子交界面 本例使用ConservativeCouplingbyPitchwiseRows转静子交界面处理方法 附 转静子交接面的类型 1 2 3 4 5 1 周向守恒型连接面 推荐大多数情况使用 2 当地守恒型连接面 离心叶轮 蜗壳 3 完全非匹配混合面4 完全非匹配固定转子交接面 周期必须相等 5 一维无反射的RS交接面 目前仅限理想气体 附 各类型比较 Step5边界条件 1 Mesh Viewon off打开网格示意窗口2 移动转动视角操作3 进口条件4 出口条件轴向进气出口平均静压130000Pa进口总压101325Pa进口总温288 2K进口湍流粘性0 00005m2 s 附 进口边界给定方式 亚音速 绝对马赫数的子午分量1 要给定所有的未知量的值 附 出口边界给定方式 亚音速 绝对马赫数的子午分量1 不用给定任何条件 Step5边界条件 固壁 设置转动 不转动壁面 是否计算轴向力和扭矩 Step6数值模型 1 专家模式2 多重网格层数3 CFL数 Numberofsweeps 增大粗网格上的循环次数可增强收敛稳定性 并显著提高收敛速度 但是循环次数越大 每一步迭代所需的时间也越长 附 CFL数 CFL Courant Friedrich Levy 数或库朗特数是一个控制时间步长的参数 CFL越大 时间步长就大 计算的时间就短 但由于稳定性的限制 CFL不能很大 一般在0 5 10的范围之内 常用值为2 4 对于复杂问题 CFL要小 接近喘振 失速工况 CFL要小 细网格计算的CFL要比粗网格时小 近似的 附 多重网格法 一种加速收敛的方法 细网格0 粗网格1 粗网格2 对于三维问题 网格000 在I J K方向的网格点数为所用网格的最大点数 如33 65 49 网格111 在I J K方向的网格点数分别比网格000时约少一半 如17 33 25 网格222 在I J K方向的网格点数分别比网格111时约少一半 如9 17 13 对于网格012 其网格点数 33 33 13 附 多重网格法 V形多重网格循环 在从细网格0 粗网格1 粗网格2 粗网格2 粗网格1 细网格的工程中 在每个网格层上都要进行若干从Runge Kutta计算或称为sweep 扫掠 缺省的sweep次数为 网格0 1次 网格1 2次 网格3 4次 为了提高计算速度和计算的稳定性 也可采用 网格0 1次 网格1 4次 网格2 8次 附 全多重网格 FullMultiGrid 第3层 第2层 V Cycle全多重网格示意图 第1层 全多重网格循环 第0层 N次单一网格计算 N次三重网格计算 在粗网格上计算 速度快 残差降到 3左右即可 三层多重网格 Step7初场设定 初场对最终的收敛结果没有影响 但一个较好的初场可以大大提高收敛速度 而一个不合理的初场很可能导致计算在一开始就发散 Forturbomachinery是特别针对叶轮机械的一种初场给定方式 这里只需要给定进口的压力 如果有转静子面的话 还需给出转静子面处的压力 Step8 输出变量设定 Parameters Outputs 双击 输出变量中有几个量是必选的 静温 静压 密度 相对速度 其他的热力学参数都可以在CFView中通过这几个量计算得到 无需在FINE中输出 这样可以节省存储空间及时间 为了简化设定 FINE中已将这几个量自动选定 其他几个子页面中 常用的几个量也已作为默认设定勾选 因此如没有特别要求 这里不需要进行设定 Step9控制变量 1 专家模式2 细网格迭代步数3 收敛残差量级4 内存需求设定5 专家参数设定 Step10收敛历史 Step11Monitor查看 除了FINE窗口中的收敛史跟踪全局残差外 通过Monitor可以动态监视每一个BLOCK中的基本参数的残差变化以及总体性能的变化 附 计算残差定义 计算残差收敛后为计算残差值 理想值 实际可达到值 全局残差 建议全局残差下降三个量级以上 各块中残差 由于各块中网格质量以及流动特性的不同 每一块中的残差下降幅度也会不同 但仍然推荐计算中 每一块中的残差下降三个量级以上 进出口流量 收敛准则中最重要的一个参数 建议进出口流量相对误差小于0 5 且流量不再发生变化 对于有大分离涡的流动 尤其在进出口处 流量收敛曲线会发生振荡 此时由于迭代中分离涡的位置和强度都会发生不同程度的变化 呈现非定常特性 因此流量也会随之发生变化 但这种变化近似为周期性 在这种情况下 也可认为计算收敛 流场当地值 计算迭代收敛时 流场每一点处的参数值不应当再发生变化 或者对于有分离涡的情况 涡内某一点的参数应当为周期性变化 用户可以在FINE介面中跟踪某一特性点的参数 并观察其变化参数 总体参数 对于定常计算 所有的总体性能 效率 扭矩 推力等 都应当变为恒定值 不再随迭代步数而发生变化 对于有大分离的情况 这些参数则会呈现周期性变化 这两种情况下都可认为计算收敛 对于非定常计算 所有的参数都应当呈现近似周期性变化 附 收敛标准 13 1计算挂起 Solver Suspend 求解器会在当前计算步完成后 存储结果并停止 Step12 挂起计算 新建若干个计算 依次修改其边界条件及初场 以计算工况线 对于压气机计算 可通过改变出口背压来计算工况线 保存 run文件 Step13 多工况点计算 将已经收敛的结果做为初场附给新的计算 可大大缩短收敛时间 打开TaskManager添加子任务 依次指定相应的 run文件 Step14 多工况点计算 选择RunAfterPreviousSubtask 点击Start开启计算 Fine会在第一个subtask完成后自动开启第二个 Step14 多工况点计算 该功能在进行工况线计算时非常方便 用户只需提前设定好边界条件 在任务栏中添加任务 Fine会自动按顺序依次执行 而不需要在一个计算完成后人为开启下一个 附 主要计算结果文件 cgns求解结果 存储流场内所有离散点的参数值 用于续算或者后处理 二进制存储格式 mf存储进出口平均值及总体性能 文本格式 res存储计算过程中的迭代残差 文本格式 log记录当前计算的所有信息 包括错误提示 警告信息等 文本格式 steering记录任务管理器中显示的跟踪参数信息 文本格式 std记录当前计算迭代过程的所有信息 包括挂起 删除 迭代等信息 文本格式 wall记录固体壁面上的力及扭矩 run记录当前计算的所有设定参数 mf文件主要内容 mf文件包含以下信息 网格信息 网格名称 节点数工质属性进出口几何参数 半径 面积 叶片数 转速进出口平均绝对速度 径向 周向 轴向速度分量 总速度 马赫数 气流角进出口平均相对速度 径向 周向 轴向速度分量 总速度 马赫数 气流角进出口平均静参数 压力 温度 密度进出口平均滞止参数 相对 绝对压力 温度进出口流量总体性能 级静压比 总压比 静温比 总温比 等熵 多变效率 轴向推力 扭矩 功率 mf文件是NUMECA软件专用的总体结果文件 尤其适用于旋转机械的流动计算 可以非常直观地统计出旋转机械的进出口平均参数 总体性能等 附 影响CFD精度的主要方面 数学摸型离散格式网格 势流 无粘 粘性流 定常 非定常 雷诺平均NS方程 湍流摸型 LES NS方程直接解 适合工程应用的格式 二阶精度格式 密度 性能计算 每个叶列 20 30万 流场细节 每个叶列 流道至少需50万个点质量 尽可能正交接近90 长宽比 1000 伸缩比 5 附 影响CFD精度的主要方面 使用者对问题的理解程度 合理地选取计算域正确地选取边界条件 CFD软件的使用者在实施网格生成和计算之前 必须尽可能的了解所研究对象的物理背景 第三部分 后处理 打开后缀名为 run或 cfv的文件 选择要进行图形显示的曲面或者平面 选择变量或者定义新变量 选择显示方式 云图 等值线 矢量 流线 调整显示 输出结果 Step1 打开计算结果 1 1选择已经收敛的计算1 2选择Modules CFView 或者点击右上角CFView的图标 自动打开当前计算的 run文件 1 3用户也可先行打开CFView Windows ProgramFiles NUMECASoftware Fine84 1 CFView 再打开相应的 run文件 视图区域 选择区域 工具栏 文本输入栏 视图模式快捷工具栏 信息栏 快捷工具栏 菜单栏 Step1 打开计算结果 Step2 选择流动区域 2 1选择区域 Geometry SelectSurfaces 用户也可以通过左侧的快捷面板进行流动区域的选取 并双击选择需要的面 或左键点击 在变为蓝色高亮后选择右键弹出菜单中的Select 这样 只有当前选择的面被选中 其他的面会自动释放 Step2 选择流动区域 2 2创建区域 如果区域不存在 2 2 1选择Geometry Create 创建不同形式的面 CreateIJKSurface 通过网格面截取 CreateCuttingPlane 通过平面截取 BladetoBladeSurface 截取等叶高面 2 2 2Apply Save Close 快捷面板 Step3 选择变量 3 1选择已有变量 Quantity FieldData BasicQuantities中是Fine里Output中选择的输出量 CFView可通过这些基本量计算得到其他变量 ComputedThermodynamics 及其梯度 散度等等 选中某个变量后 改变量的名称 范围会出现在屏幕下端 快捷面板 双击选择 Step3 选择变量 3 1创建新变量 Quantity FieldData DefineNewQuantity 快捷面板 Step4 选择显示模式 Respresentation 当地值 Localvalue 等值线 Isolines 云图 Contour 笛卡尔图 CartesianPlot 积分 Integral 等值面 IsoSurface 1 1 6 2 5 4 快捷面板 4 1标量显示 ScalarRepresentation 流线 Streamlines 矢量场 Vectorfield 当地矢量 LocalVector 矢量积分 Integral 4 1矢量显示 VectorRepresentation Step4 选择显示模式 Respresentation 4 1 3 2 快捷面板 Step5 调整显示 从菜单中选择ScalarRange调整从工具栏按钮调整从快捷面板调整 2 5 1标量显示调整 快捷面板 Step5 调整显示 5 2矢量显示调整 从菜单VectorRange Type调整从快捷面板调整 快捷面板 Step5 调整显示 5 3更新图形显示Update Undo选择区域 step2 选择变量 step3 Delete选择删除显示模式 5 1 4 Step6 输出结果 1 2 3 4 1 2 3 6 1输出图片 File Print 选择图片格式 设置图片名称 6 2输出宏文件 File Macro Record Step6 输出结果 6 3输出模板 File Print 选择图片格式 设置图片名称 6 4输