ansys教学算例集离心压缩机叶轮气动仿真

1、ANSYS 教学算例集离心压缩机叶轮气动撰写：审核：校对：2018 年 09 月 30 日 Copyright目 录关键字：算例来源：ANSYS Fluent Tutorial摘要1案例描述1操作步骤23.1. 创建工作目录并启动 Fluent23.2. 导入网格文件21.2.3.3.3. General设置33.4. Ms 模型设置53.5. Materials 材料设置63.6. Cell Zone Conditions 设置63.7. Boundary Conditions 设置73.8. Solution Methods 求解设置113.9. Initialization 初始化143

2、.10. Run Calculation 运行计算153.11. Post-processing 后处理17本章小结234.I1. 摘要离心压缩机通常在一级叶轮中的就可以达到非常大的压升，常常出现在飞机、汽车发动机、发电系统等领域。CFD 技术在离心压缩机的设计和分析中被广泛的应用，可以辅助设计工程师在目标压升和目标流量的工况下获得最高效的气动性能。本算例使用 ANSYS Fluent 19.0，对离心压缩机叶轮内部进行，文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。通过计算获得压缩机流道的流场。2. 案例描述本算例对象为一离心压缩机，包含 20 个叶片，以

3、14000rpm。为了简化计算，本例采用 1/20 周的单通道流域进行计算，在单通道中使用周期边界条件来约束流体边界，由于只分析叶片旋转流域，因此采用 SRF(Single Reference Frame)模型进行模拟。流经压缩机的介质为理想气体，比热、导热率和粘性皆假设为，过程假设为稳态。单流道叶片流道完整叶轮结构13. 操作步骤3.1. 创建工作目录并启动 Fluent在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如 Compressor），将网格文件 eckardt-comp.msh.gz 拷贝至该目录下。启动 Fluent 19.0，在 Fluent Launcher 中，Dimension选择 3

4、D，Display Options 中勾选 Display Mesh Aftering 和 Workbench ColorScheme，Processing Options 选择 Serial，设置使用单核计算（用户可以根据现有的硬件资源和 License酌情选择合适的并行数），更改 Working Directory 路径至该网格文件目录下，点击 OK 启动 Fluent 19.0。3.2. 导入网格文件菜单中点击【File】>【】>【Mesh】，选取网格文件 eckardt-comp.msh.gz，点击 OK 导入网格。此时，图形界面中可以查看导入的网格。2设置3.3. Gen

5、eral在最左侧的及选择求解器。，鼠标左键双击【Setup】>【General】，进行网格相关的操作以33.3.1. 检查网格点击【Setup】>【General】>【Mesh】>【Scale】，View Length Unit In选择 mm，以毫米为查看当前模型的范围是否正确。3.3.2. 求解类型设置点击【Setup】>【General】>【Solver】，在 Type 下选择 Density-Based，Time 下选择 Steady。3.3.3. 调整转速点击【Setup】>【General】>【Units】，ties 为 angula

6、r-velocity，选定右侧 Units在【Set Units】界面下，选择为 rpm（即以“转/分”Qu显示和设置转速）。43.4. Ms 模型设置在最左侧的，鼠标左键双击【Setup】>【Ms】，进行物理模型设置。【Setup】>【Ms】>【Viscous】，鼠标左键双击 Viscous，M中选择Spalart-Allmaras，点击 OK 完成设置。53.5. Materials 材料设置在最左侧的，鼠标左键双击【Setup】>【Materials】，进行材料物性设置。在 Create/Edit Materials 窗口下，选择 Properties 下设置 D

7、ensity(kg/m3)为 ideal-gas。点击 Change/Create 选项。设置为理想气体后，自动会提示激活能量方程。3.6. Cell Zone Conditions 设置在最左侧的，鼠标左键双击【Setup】>【Cell Zone Conditions】，进行体网格区域条件的设置。6在 Cell Zone Conditions 的 Task Page 中点击 Operating Conditions，选择Operating Pressure 为 0 atm，点击 OK 确认。在 Cell Zone Conditions 的 Task Page 中选中 fluid 点击【

8、Edit】，在弹出的Fluid 窗口中，勾选 Frame Motion，在 Reference Frame栏下选择 Rotation-Axis Direction 为 1,0,0。（Fluent 中转动方向按照右手定则定义，X=1 代表绕 x 轴正方向旋转，本例中旋转轴为 x 轴。）在 Rotational Velocity 中输入 Speed 值为 14000rpm。点击 OKFluid 设置框。3.7. Boundary Conditions 设置在最左侧的，鼠标左键双击【Setup】>【Boundary Conditions】，进行边界条件的设置。73.7.1. 定义进口边界条件在

9、 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 inlet，点击【Edit】，弹出 Pressure Inlet 窗口，Momentum 选项卡中设置 Gauge TotalPressure 为 1atm，设置 Suic/Initial Gauge Pressure 为 0.9atm。设置Turbulence 下 Specification Method 为 Turbulent Viscosity Ratio，值为 10。在Thermal栏中设置 Total Temperature 为 288.1 K。点击 OK 完成设置。3.7.2. 定义出口边界条件

10、在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 pressure-outlet- stator，确认其 Type 是 pressure-outlet，如果不是，从 Type 的下拉菜单中切换选8择，点击【Edit】，弹出 Pressure Outlet 窗口，在 Momentum 选项卡中，GaugePressure 设置为 1.59atm，设置 Backflow Direction Specification Method 为 From Neighboring Cell，设置 Turbulence 下 Specification Method 为 T

11、urbulent ViscosityRatio，值为 10。在 Thermal点击 OK 完成设置。栏中设置 Backflow Total Temperature 为 288 K。3.7.3. 周期边界条件设置在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 periodic-wall-1， 点击【Edit】，弹出 Periodic 窗口，设置 Periodic Type 为 Rotational。点击 OK 确认设置。同理，将 periodic-wall-2 边界设置成同样的旋转周期类型。93.7.4. 定义壁面边界条件1. 定义机匣边界（shroud

12、），该边界由于在物理上不旋转，因此需要将其定义为静止边界。在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 shroud，确认其Type 是 wall，如果不是，从 Type 的下拉菜单中切换选择。点击【Edit】，弹出Wall 窗口，在 Momentum 选项卡中，选择 Wall Motion 为 Moving Wall，选择Motion 为 Absolute，Rotational，Speed 设置为 0rpm，改变 Rotation-Axis Direction为 1,0,0。点击 OK 完成设定。2.定义转子轮毂及叶片边界（hub、wall-bla

13、de-suction、wall-blade-pressure），这三个边界由于是随着转动部件，因此需要设置为旋转边界。在 Boundary Conditions 的 Task Page 中，鼠标左键单击选中 hub，确认其 Type 是 wall，如果不是，从 Type 的下拉菜单中切换选择。点击【Edit】，弹出 Wall 窗口，在 Momentum 选项卡中，选择 Wall Motion 为 Moving Wall，选择 Motion 为Relative to Adjacent Cell Zone，Rotational，Speed 设置为 0rpm，改变 Rotation-Axis Dir

14、ection 为 1,0,0。点击 OK 完成设定。10回到 Boundary Conditions 的 Task Page 中，点击 Copy打开 Copy Conditions设置窗口，在 From Boundary Zone 中选择 hub，在 To Boundary Zones 中选择wall-blade-pressure、wall-blade-suction，点击 Copy 完成边界设置。3.8. Solution Methods 求解设置在最左侧的，鼠标左键双击【Solution】>【Methods】，进行求解的设置。确认设置为默认，修改 Modified Turbulent

15、 Viscosity 为 Second Order Upwind，勾选 Pseudo Transient 选项。11【Solution】>【Monitors】>【Residual】，鼠标左键双击 Residual，设置连续性方程残差值为 0.0001，点击 OK 确认设置。3.8.1. 流场域内进口流量监视设置【Solution】>【Monitors】>【Report Plots】，鼠标左键点击 New，进行自定义物理量的监视设置。12在弹出的 New Report Plot 窗口中，点击 New，选择 Flux Report > MassFlow Rate，在

16、Surface 选项栏中选择进口面 inlet，点击 OK。回到 New Report Plot 窗口，点击 OK。3.8.2. 流场域内出口流量监视设置【Solution】>【Monitors】>【Report Plots】，鼠标左键点击 New，进行自定义物理量的监视设置。在弹出的 New Report Plot 窗口中，点击 New，选择 Flux Report > MassFlow Rate，在 Surface 选项栏中选择出口面 outlet，点击 OK。13回到 New Report Plot 窗口，点击 OK。3.8.3. 流场域内出口平均总压监视设置【Solu

17、tion】>【Monitors】>【Report Plots】，鼠标左键点击 New，进行自定义物理量的监视设置。在弹出的 New Report Plot 窗口中，点击 New，选择 Surface Report > Mass- Weighted Average，在 Field Variable 中选择 Pressure>Total Pressure，在Surface 选项栏中选择出口面 outlet，点击 OK。回到 New Report Plot 窗口，点击 OK。3.9. Initialization 初始化【Solution】>【Initializatio

18、n】，鼠标左键双击 Initialization，在 Task Page中确认 Initialization Methods 选择为 Hybrid Initialization，点击 More Settings选项，在弹出的窗口中设置 Number of Iterations 为 20，点击 OK 确认设置。14点击 Initialize 按钮进行初始化。3.10. Run Calculation 运行计算【Solution】>【Run Calculation】，鼠标左键双击 Run Calculation，在 Task Page 中设置 Timescale Factor 为 0.1，设

19、置 Length Scale Method 为 Aggressive，可收敛速度。在 Number of Iterations 中输入 800。点击 Calculate 开始运行计算。15运行计算开始后，可以在视图窗口中看到残差曲线和进出口流量曲线随迭代步数的变化。计算进行了 800 步迭代后弹出 Information 窗口显示计算已经完成。点击 OK 完成计算。16计算所需要进行的迭代步数由以下三个因素共同决定：1.Convergence Conditions 中定义的平均值的监视条件；2.Residual Monitors 中定义的残差曲线的收敛标准；3.Run Calculation

20、中定义的 Number of Iterations。以上三个条件任意一个达到满足，计算即停止。当前的计算是因为达到最小残差量级而停止。3.11. Post-processing 后处理在最左侧的，使用【Results】中的相关工具，对计算结果进行后处理。3.11.1. 检查进出口流量平衡【Results】>【Reports】>【Fluxes】，鼠标左键双击 Fluxes，弹出 Flux Reports 窗口。保持默认选项 Options 中 Mass Flow Rate，选择 Boundary 中 inlet、outlet，点击 Compute 按钮显示这些边界上的流量。在 Net

21、 Results(kg/s)中计算得到进出口净流量为-7.3e-7 kg/s，通常计算域内流入流出差值与总流量的比值小于 0.5%可认为质量守恒，此处远小于 0.5%可认为本次计算质量流量平衡。173.11.2. 利用 Turbo 拓扑后处理1. 定义后处理拓扑菜单栏中选择【Setting Up Domain】>【Mesh Ms】>【Turbo Topology】，打开 Turbo Topology况如下：框，选择 Boundary 边界对应相关 Surfaces，具体对应情对应设置，点击 Define 按钮2. 创建子午坐标系下等值面选择菜单栏下【Setting Up Domai

22、n】>【Surface】>【Iso-Surface】，在弹出的Iso-Surface 窗口中选择 Surface of Constant 为 Mesh，Meridional Coordinate，在Iso-Values 下输入 0.2，在 New Surface Name 中改变原来默认的名称设置为meridional-0.2。创建子午流线方向截面。18BoundariesSurfacesHubhubCasingshroudTheta Periodicperiodwall1periodwall2Theta MinwallbladepressureTheta Maxwallblade

23、suctionInletinletOutletoutlet同理，再设置 meridional-0.4，meridional-0.6，meridional-0.8 三个截面。修改 Surface of Constant 下的 Meridional Coordinate 为 Spanwise Coordinate，设置 Iso-Values 为 0.5，命名为 spanwise-0.5，创建半截面。3. 显示子午流线方向截面上的物理量A. 显示静压云图19【Results】>【Graphics】>【Contours】，鼠标左键双击 Contours，弹出Contours 窗口，在 Op

24、tions 中勾选 Filled，保持 Contours of 中 Pressure>StaticPressure 选项，在 Surfaces栏中选择 inlet、outlet、meridional-0.2、meridional-0.4、meridional-0.6、meridional-0.8。勾选 Draw Mesh 弹出 MeshDisplay框，在 Options 下去选 Faces，选择 Surface 下的 inlet、outlet、hub、shroud，点击 Display 显示轮廓。回到 Contours 界面，点击 Save/Display 显示分布。B. 显示分布在 Contours 窗口下，改换 Contours of 选项栏下参数为 Velocity>MachNumber，点击 Save/Display 显示分布。20C. 显示半截面分布【Results】>【Graphics】>【Contours】，鼠标左键双击 Contours，弹出Contours 窗口，在 Options 中勾选 Filled，保持 Contours of 中 Pre