ansys教学算例集汽轮机内蒸汽平衡态与非平衡态仿真分析

1、ANSYS 教学算例集汽轮机内蒸汽平衡态与非平衡态分析撰写：审核：校对：2018 年 09 月 30 日 Copyright目 录关键字：算例来源：摘要1案例描述1操作步骤21.2.3.3.1.3.2.3.3.3.4.3.5.3.6.3.7.3.8.准备工作2平衡态工况网格及边界条件设置4平衡态工况 CFX-Solver 求解设置14平衡态工况 CFD-POST 后处理设置14非平衡态边界条件设置17非平衡态工况求解设置21非平衡态工况 CFX-Solver 求解设置22平衡态工况 CFD-POST 后处理设置224.本章小结26I1. 摘要透平机械是将流体的能量（热能、势能或动能）转化为机械

2、能的一种动力装置，通过主轴带动发电机或其他从动机。透平机械有汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机和风力机等。本例以一级轴流透平内流为例，用 ANSYS19.0 软件，对蒸汽轮机叶片的一级湿蒸汽流场进行平衡态与非平衡态两种状态下的材料属性、边界条件、求解和后处理的设置。，2. 案例描述本例以单级透平机械内流场为例，由两部分网格组成：静子叶片流道网格和转子叶片流道网格。静子叶片整2:1。60 个，转子叶片整113 个，级排比接近于静子部分流道为 6°单流道，转子部分流道为两个叶片通道 6.372°（2*360°/113）叶栅进口平均速度约为 100m/s，转子以 52

3、3.6 rad/s 的转速绕 z 轴旋转，静子则保持不动。转子叶顶与机匣的网格并未考虑在本转子网格中。1边界条件：总压 0.265bar，静压 0.0662bar，总温 328.5K计算域本例中，将创建两个稳态计算：1.采用多组分均匀混合液态水和水蒸气项；2.单独的液态水和水蒸气项用于非平衡。3. 操作步骤3.1.准备工作3.1.1. 创建工作目录打开 ANSYS CFX，将网格文件 rotor.grd, stator.gtm 拷贝至英文文件目录下，更改 Working Directory 路径至网格文件目录下。2鼠标左键单击 CFX-Pre 19.0，进入 CFX-Pre 界面。3.1.2.

4、 新项目创建进入 CFX-Pre 界面，鼠标左键单击【File】>【New Case】或菜单栏下，新建 case，在弹出的框中选取【Simulation Type】>【Turbomachinery】，点击【OK】进入到 case 设置界面中。33.1.3. 保存 case 文件选择【File】>【Save Case As】，在【File name】中写入 WaterVaporEq，单击【Save】保存 case 文件。3.2.平衡态工况网格及边界条件设置3.2.1. 依照模板设置网格及边界条件3.2.1.1.在【Basic Settings】中参考以下图片设置参数3.2.1.

5、2.点击【Next】进入到【Component Definition】中，右键添加网格文件。参考以下图片内设置选择目录下 stator.gtm 文件43.2.1.3. 重复以上步骤，右键添加名为 rotor.grd 的网格文件，选择网格为 m。设置转速为 523.6radian s-1展开 Passages and Alignment，选择【Edit】。按以下图片设置参数。5点击【Done】，点击【Next】。3.2.1.4.在【Physics Definition】中按以下操作设置。3.2.1.5.确认参数设置正确后，点击【Next】进入到【Interface Definition】中，确认

6、交界面设置。3.2.1.6.确认交界面设置参数后，点击【Next】进入到【Boundary Definition】中。3.2.1.7.3.2.1.8.确认边界条件设置参数后，点击【Next】进入到【Final Operations】中。确认【Operation】为【Enter General Mode】，点击【Finish】。进入到 CFX-Pre常规设置界面中。63.2.2. 设置材料属性在之前的模板定义中，我们制定了流体介质为理想水蒸汽。在这里均匀的两相混合物来替换流体介质，以模拟平衡态的湿蒸汽状态。指定通过IAPWS 数据库中水的不同状态H2Ol，混合物项命名为 H2Og。定义混合物，水

7、蒸气项为 H2Og，液态水为3.2.2.1. 设置 H2Og 材料属性1.点击菜单栏中 Material选项，新建名为 H2Og 的材料数据2.在弹出的 Basic Settings 选项栏中设置【Option】>【Pure Substance】，设置【MaterialGroup】>【IAPWS IF97】，【Gas】【Thermodynamic State】，选择【Thermodynamic State】>73.切换到 Material Properties 选项栏中，【Thermodynamic Properties】>【TableGeneration】，【Mini

8、mum Temperature】>【Min. Temperature】>250K，【umTemperature】>【Max. Temperature】>400K，【Minimum Absolute Pressure】>【Min.Absolute Pres.】>0.01bar，【um Absolute Pressure】>【Max. Absolute Pres.】>0.6bar，um Points】>100。【84.点击【OK】完成设置3.2.2.2. 设置 H2Ol 材料属性1.在 Outline 中选择展开 Materials，右键单击

9、H2Og，选择 Duplicate。将为Copy of H2Og的材料名称改为H2Ol出的名2.双击 H2Ol，进入编辑界面，在弹出的 Basic Settings 选项栏中设置【ThermodynamicState】>【Liquid】3.点击【OK】确认设置3.2.2.3. 创建混合材料属性1.创建新材料命名为 H2Olg2.在弹出的 Basic Settings 选项栏中设置【Option】>【Homogeneous Binary Mixture】，【Material Group】>【IAPWS IF97】，选择【Material 1】>【H2Og】，【Materi

10、al 2】>【H2Ol】93.切换到 Material Properties 选项栏中，【Thermodynamic Properties】>【TableGeneration】Minimum Temperature】>【Min. Temperature】>273.15K，【umTemperature】>【Max. Temperature】>400K，【Minimum Absolute Pressure】>【Min.Absolute Pres.】>0.01bar，【um Absolute Pressure】>【Max. Absolute Pr

11、es.】>0.6bar，um Points】>100。【104.点击【OK】确认设置。3.2.3. 修改流域及边界条件3.2.3.1. 在 Outline 中双击 R1，进入编辑界面。在 Basic Settings栏下的 Fluid andParticle Definitions中删除【Water Ideal Gas】，新建名为【H2Olg】的项，设置【Material】>【H2Olg】，点击【Apply】。3.2.3.2. 切换至 Fluid Ms栏下，选择【Component Ms】>【Component】>【H2Og】>【Option】>【Eq

12、uilibrium Fraction】113.2.3.3.3.2.3.4.3.2.3.5.点击【OK】确认设置。在 Outline 中双击 S1 下的 S1 Inlet 边界，进入编辑界面在 Boundarys栏下设置【Components】>【H2Og】>【Option】>【Mass Fraction】>1.0，点击【OK】确定设置。123.2.4. 初始化设置3.2.4.1. 菜单栏中单击【Global Initialization】3.2.4.2. 设置【Cartesian Velocity Components】>【Automatic with Value

13、】>0m s-1，0m s-1 ， 100m s-1 ；【Static Pressure 】>【Automatic withValue 】>0.2bar ；s】>【H2Og】>【Temperature】>【Automatic with Value】>328.5K；【Automatic with Value】>【Mass Fraction】>1Component133.2.5. 点击按钮 Define Run3.2.6. 点击 Save 保存。保存名称为 WaterVaporEq.def 的文件。3.3.平衡态工况 CFX-Solver 求解

14、设置3.3.1. 选择 Double Precision(可选)。3.3.2. 选择【Parallel Environment】>【Run Mode】> 调整并行核数(可选)。3.3.3. 在打开的 CFX-Solver 求解器中选择【Start Run】。3.4.平衡态工况 CFD-POST 后处理设置在 CFX-Solver 界面下，单击选择 Launch CFD-Post with a results file到 CFD-POST 界面下。进入143.4.1. 模板后处理初始化选择【Turbo】>【Turbo Initialization】>【Initialize

15、 All Components】3.4.2. 叶片展向半高截面显示3.4.2.1.3.4.2.2.在主菜单下选择【Insert】>【Location】>【Turbo Surface】在设置界面中 Geometry栏下选择【Definition】>【Constant Span】>0.53.4.2.3.3.4.2.4.点击【Apply】确认设置，并在 Outline 窗口下关闭 Turbo Surface 1 可视化。新建等值线云图 Contours，命名为 Static Pressure，在 Geometry栏下设置【Locations】>【Turbo Surfac

16、e 1】，【Variable】>【Pressure】，点击【Apply】。153.4.3. 叶片展向半高截面液相体积分数显示3.4.3.1. 去选 Outline 中 Static Pressure 云图，关闭静压云图可视。3.4.3.2. 新建等值线云图 Contours，命名为 Mass Fraction of Liquid Phase，在 Geometry栏下设置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【Variable】>【H2Ol.Mass Fraction】，点击【Apply】。3.4.4. 叶片展向半高截面温度分布显示3.4.4.1. 去选

17、Outline 中 Mass Fraction of Liquid Phase 云图，关闭液相体积分数云图可视。3.4.4.2. 新建等值线云图 Contours，命名为 Static Temperature，在 Geometry栏下设置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【Variable】>【Temperature】，点击【Apply】。16关闭 POST 界面。3.5.非平衡态边界条件设置在 CFX-Pre 中打开 WaterVaporEq.cfx 文件，在菜单栏中选择【File】>【SaveCase As】，将文件另存名为 WaterVaonE

18、q.cfx，点击 Save 保存。3.5.1. 调整流域设置3.5.1.1. 在 Outline 中双击流域 R1，进入编辑界面。在 Basic Settings栏下的 Fluidand Particle Definitions中删除【H2Olg】，新建名为【H2Og】的项，设置【Material】>【H2Og】，【Morphology】>【Option】>【Continuous Fluid】。3.5.1.2. 在 Fluid and Particle Definitions中新建名为【H2Ol】的项，设置【Material】>【H2Ol】，【Morphology】&g

19、t;【Option】>【Droplets(Phase Change)】。173.5.1.3. 切换至 Fluid Ms栏下，【Multiphase】>【Homogeneous M】，】，【Option】>【Fluid Dependent】。去选【Heat Transfer】>【Homogeneous M3.5.1.4. 切换至 Fluid Specific Ms栏下，选择【Fluid】下【H2Og】，设置【HeatTransfer M】>【Option】>【Total Energy】；选择【Fluid】下【H2Ol】，设置【Heat Transfer M】&

20、gt;【Option】>【SmallDroplet Temperature】，【Nucleation M】>【Option】>【Homogeneous】，勾选【Nucleation Bulk Tension Factor】>【Nucleation Bulk Tension】>1.。183.5.1.5. 切换至 Fluid Pair Ms，设置【Mass Transfer】>【Option】>【Phase Change】>【Small Droplets】，设置【Heat Transfer】>【Option】>【Small Droplet

21、s】。193.5.1.6. 点击【OK】确认设置。3.5.1.7. 在 Outline 中双击流域 S1，进入编辑界面。参考 R1 流域的设置，以同样设定设置流域。（在 R1 设置完成后，S1 流域中大部分的设置已经自动调整为一致，只需调整 Fluid Specific M【Homogeneous】，Tension】>1.）。s栏下【Nucleation M】>【Option】>【Nucleation Bulk Tension Factor】>【Nucleation Bulk3.5.2. 调整进口边界条件3.5.2.1. 在 Outline 中双击 S1 Inlet，进

22、入设置窗口。在 Fluid Values栏下选择【 Boundary Conditions 】 > 【 H2Og 】；【 Heat Transfer 】 > 【 Option 】 > 【 TotalTemperature】>328.5K；【Volume Fraction】>【Option】>【Value】，【Volume Fraction】>1；203.5.2.2. 在 Fluid Values栏下选择【Boundary Conditions】>【H2Ol】；【VolumeFraction】>【Option】>【Value】，【Vol

23、ume Fraction】>0；【Specified Number】>【Droplet Number】>0m-3Droplet Number】>【Option】>3.5.2.3. 点击【OK】完成设置。3.6. 非平衡态工况求解设置3.6.1. 在 Outline 双击【Simulation】>【Solver】>【Solver Control】，设置【Fluid Timescale Control】>【Physical Timescale】>5e-5s。点击【OK】确认修改。213.6.2. 点击按钮 Define Run保存。保存名称为

24、WaterVaonEq.def 的文件。点击 Save3.7. 非平衡态工况 CFX-Solver 求解设置3.7.1. 选择 Double Precision(可选)。3.7.2. 选择【Parallel Environment】>【Run Mode】> 调整并行核数(可选)。3.7.3. 在打开的 CFX-Solver 求解器中选择【Start Run】。3.8. 非平衡态工况 CFD-POST 后处理设置在 CFX-Solver 界面下，单击选择 Launch CFD-Post with a results file到 CFD-POST 界面下。进入223.8.1. 模板后处

25、理初始化选择【Turbo】>【Turbo Initialization】>【Initialize All Components】3.8.2. 叶片展向半高截面过冷度显示3.8.2.1.在主菜单下选择【Insert】>【Location】>【Turbo Surface】3.8.2.2.3.8.2.3.在设置界面中 Geometry栏下选择【Definition】>【Constant Span】>0.5点击【Apply】确认设置，并在 Outline 窗口下关闭 Turbo Surface 1 可视化。3.8.2.4.新建等值线云图 Contours，命名为 Degree of Supercooling，在 Geometry栏下设置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【Variable】>【H2Og.Supercooling】，点击【Apply】。233.8.3. 叶片展向半高截面成核率和液滴数分布显示3.8.3.1. 去选 Outline 中 Degree of Supercooling 云图，关闭过冷度云图可视。3.8.3.2. 新建等值线云图 Contours，命名为 Nucleation Rate，在 Geometry栏下设置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【V