离心压气机转子数值模拟培训教程.ppt

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离心压气机的主要参数有：

转速、压比、效率和流量等。

离心压气机内部流动的一般特征：

三维，有粘，非定常可压缩，跨音速多相流动，化学反应传热传质，流热耦合，流固耦合，气动噪声,CFD技术简介,计算流体动力学（CFD）是二十世纪六十年代开始、随着电子计算机的出现和应用而得以蓬勃发展的一门新兴学科。

CFD是在经典流体力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立起来的。

CFD技术弥补了理论分析和实验研究的不足，并促进了理论和实验的发展。

应用CFD技术，在分析、掌握离心压气机内部流动的基础上，对其通流部件气动性能进行优化，是提高产品竞争力的一个有效方法。

CFD分析步骤,采用数值方法对具体的流动现象进行模拟的过程主要分为以下几个步骤：

根据具体流动情况和所关心的问题，建立或选择对应的数学模型；如欧拉方程，雷诺平均的NS方程，湍流模型等根据所选择的模型，对计算区域进行网格剖分；选择对应的流体属性；如理想气体、实际气体、水采用合理的边界条件；根据具体条件或实验，设定进、出口条件、固壁边界流场求解；选择数值方法、收敛准则等计算结果处理和显示。

制做各种定性、定量物理量图线,CFD分析步骤,1.网格生成,工业问题,2.给定流体特性3.给定边界条件,4.流场求解,5.数据处理及演示,Backflow,CFD求解器数学模型,DNS：

在非定常条件下求解NS方程及所有尺度的湍流涡旋网格非常密（约为RANS的105倍）LES：

在非定常条件下求解“过滤”后的NS方程及最大的涡旋而模拟小的涡旋网格较密（约为RANS的100倍）RANS：

求解“平均的”NS方程而模拟所有的湍流涡旋，网格的数量级为几十万到几百万（可在较好的PC机上实现）,势流、（两类相对流面理论）、无粘/粘性流、定常/非定常、雷诺平均NS方程+湍流模型（RANS），大涡模拟（LES），NS方程直接解（DNS）,Fine/Turbo软件组成,IGG交互式分区结构化网格生成器可高质量地生成任意复杂区域的网格AutoGrid柱形回转面结构（如搅拌器及透平机械）自动网格生成器可以方便、快速地生成包括离心、轴流压缩机、泵、风机、透平、燃气轮机、航空发动机、增压器、内燃机等多种对象的旋转机械叶片网格EURANUS全二阶精度结构化块网格求解器基于密度求解方法保证了快速的流场收敛速度采用多重网格技术，显著提高计算速度提供了针对透平机械专用的边界及初场给定方法CFView功能强大的流场显示后处理器提供定性、定量参数分析，并提供针对透平机械专用的参数显示功能（如子午平均、叶片叶片）,培训内容,带分流叶片离心压气机叶轮数值模拟，主要包括：

网格生成：

AutoGridTM计算设定和求解：

FINETM结果处理：

CFViewTM,准备工作,用三维绘图软件PRO/E、UG、SOLIDWORKS.等绘制要计算的叶轮三维图或子午面图，并将这些图存为.igs或.iges格式的文件。

没有三维绘图功能的CAD无法绘制或打开.igs文件，要通过proe、UG等转换成DWG格式才能打开。

Fine只能打开.igs或.iges格式的文件。

Iges（initialgraphicsexchangespecification）是业界通用三维数据（点，线，面等）的一种交换标准。

但转换时有时容易破面。

准备工作,2.打开FINE界面（开始程序NUMECAsoftwarefine74_1FINE）3.选择创建一个新的工程文件（CreateaNewProject），命名为compressor.iec。

4.在弹出的网格选择对话框中，选择CreateGridFile来打开IGG窗口。

第一部分网格生成,带分流叶片离心压气机网格生成操作及示例,网格生成步骤,Step1：

准备几何数据,几何数据的准备有两种方法，一种是通过AutoGrid专用的几何文件格式准备为GeomTurbo文件，另外一种方法是通过IGG从三维模型中提取所需的几何型线及面。

一般工程中都是从图纸开始准备，因此这里着重介绍第二种方法。

基本思路：

在CAD作出的图形中，叶片型面可能是由很多个小面组成，组成面的弧线通常也会由若干段弧线拼成。

而用在AutoGrid中的几何，希望叶片不同截面（根部、顶部）的型线控制点数尽可能相同或相似，这样可以减小或消除几何上的误差。

因此，通常需要对已有的型线进行重新描述。

常用的方法是贴网格面，通过控制网格点数及分布来控制几何线的控制点数及分布。

由于叶片通道是周期性的，每个流道内的流动情况都相同（只计算叶轮通道，不考虑下游涡壳不对称性对叶轮内流动的影响），因此计算的时候只需计及一个通道即可。

故可选任一长叶片及其相邻的短叶片作为取型及计算对象。

Step1：

准备几何数据,将准备好的叶轮文件（.igs格式）输入IGG，（FileImportIGESDATA），然后关闭输入窗口（CLOSE）。

IGG中每条线都对应有一个名称。

如果原始的名称相同，在IGG中调入后，会弹出一个对话框，此时只要选择“AutoRename”即可,IGG会对其重新命名。

再选择“Applytoall”，,Step1：

准备几何数据,点击右下脚显示按钮，输入的图形就会显示出来，如图。

右下角有一排按钮，可以对显示的图形进行旋转、放大等操作。

注意：

AutoGrid中，叶轮的旋转轴必须是Z轴，如果在CAD作图时选的轴不是Z轴，需要进行旋转操作，以符合AutoGrid的要求。

Step1：

准备几何数据,重新打开一个只画有一片叶片的文件，如图。

点击屏幕左侧上方快捷面板中的“InsertNewFace”。

做出一个网格面。

按图示顺序确定该网格面的两个顶点。

刚画完时按ESC键可以取消。

附：

网格的有关名词,每个网格块由六个面组成。

一个面（Face）可以由一个或多个片（patch）组成。

一个面由四个边（edge）组成。

一个边可以由一个或多个线段（Segment）,一个网格块内可以插入若干个内部网格面一个网格面内可以插入若干个内部网格线,Step1：

准备几何数据,将网格面的顶点拖至长叶片压力面的四个定点上。

点一下网格面，线会变粗，顶点会显示为方块。

点一下顶点，松开左键，顶点就会随着鼠标移动，拖至合适的地方，点一下即可。

此时不满意时怎样取消该面？

随时保存如果叶片沿某一方向是由一条线确定的，那么网格面的边会自动贴附到几何线上。

但是在本算例中，叶片绘图时是由几段线段组成，因此，需要在每一个线段连接点处插入点来使网格边和几何边贴合。

选择屏幕左上方快捷面板中的”Insertvertex”（插入顶点），会有一个顶点出现，将其放至网格面的边上，点一下，然后松开左键，这个点就会随着鼠标移动，当其移动到线段连接点时，点一下松开即可。

为了方便，可以把图形放大再操作。

加的位置？

顶点的数目？

数目对划分网格和计算结果有否影响？

对边加的数目是否需要一致并对称？

贴好的网格面如图所示。

Step1：

准备几何数据,Step1：

准备几何数据,调整网格数目（目的：

控制几何线的描述）：

左键点击选中需要调整的网格边（该边变为黄色），右键选择SegmentSetNumberofPoints,在弹出对话框中将网格数目设置为61，点击Apply后关闭对话框。

用同样的方法调整另一条边数目为21。

这样，该长叶片压力面就由一个6121的网格面表述出来。

Step1：

准备几何数据,查看生成的网格面：

快捷面板View/Grid/ToggleFaceGrid投影网格面至原始几何面（目的：

使网格面和原始几何面完全贴合）9.1用选面模式选中原始叶轮压力面（由若干个面组成，选中后面的四条边显示为红色）9.2点击快捷面板中的“ProjectFace”（Generate下面）9.3点击Apply确定,9.3,附：

如何激活选面模式,在IGG中，面的选择模式可以通过以下几种方法激活：

下拉式菜单GeometrySelectSurfaces快捷键“Ctrls”（IGG中区分大小写，在按下s之前，请确认CAPSLOCK健未被激活）在IGG窗口的空白处，点击鼠标右键，弹出式菜单中点击“SelectSurfaces”当选面模式被激活时，IGG窗口下侧会出现黄色提示文字：

在选面模式下，用户可以通过鼠标点选相应的面。

当鼠标移动至该面的位置时，面会呈现出蓝色的网状面。

鼠标点击后，面的轮廓呈红色则被选中，面呈青色则未被选中。

在选面模式下，用户可以连续选择/取消选择多个面。

选面完毕后，点击鼠标右键释放选面功能，则IGG底部的提示文字消失。

在选面模式下，按下小写字母“a”可全部选择或全部取消选择所有显示的面。

每按一次“a”，则全部面的被选状态全部发生改变。

Step1：

准备几何数据,用贴好的网格面生成几何面：

在左侧的快捷面板中，点击FromFaceGrid，则会生成一个和网格面重合的几何面。

取消网格面及边的显示。

Step1：

准备几何数据,在选面模式（ctrls）下，按下小写字母a，释放所有选中的面，然后鼠标点击选中刚才生成的面（可在该面位置用鼠标中键切换不同的面）。

用GeometryModifySurfaceRepresentation（画像，表示法），将选中的面沿叶高方向描述为5条曲线。

在下方的输入栏中输入（52），回车确定。

如果这时分不清哪个是叶高方向，可试着输入，如果得到的不是沿叶高方向分布的5条线，可继续执行该操作，将输入栏中的数字顺序颠倒即可）。

取消面的选择，通过右键激活选线模式（SelectCurves），从叶根至叶顶，依次选中这5条线，使用GeometryCreateSurfacelofted命令，生成loft形式的面。

Step1：

准备几何数据,通过GeometryViewSurfaces，显示刚才生成的面（lofted_2）通过选面模式选中该面，用FileExportGeometrySelection将选中的面输出为PS1.dat,作为长叶片的压力面。

用同样的方法将长叶片的吸力面及分流叶片的压力面、吸力面分别输出为SS1.dat，Splitter_PS.dat,Splitter_SS.dat。

（每次选择面前，需要按释放先前所选的面。

）,叶片的取型到此完成。

下面需要取出子午面的型线。

通过通过GeometryViewSurfaces，显示所有几何面用同样的方法将长叶片的吸力面及分流叶片的压力面、吸力面分别输出为SS1.dat，Splitter_PS.dat,Splitter_SS.dat。

（每次选择面前，需要按释放先前所选的面。

）,Step1：

准备几何数据,重新打开一个IGG工程（FileNew），输入子午面文件（.IGES格式）。

由于CAD中的端壁线不完整，需要对HUB（中心）和Shroud（覆盖物）进行修补。

具体的方法是沿原始端壁的走向用C样条曲线做出所需的端壁线。

Step1：

准备几何数据,点击左侧快捷面板GeometryCurveCSpline，按照图示的起点开始画起，通过若干个中间控制点，画出一条和原始Hub线重合的线条（黄色所示）。

通过FileExportGeometryControlPoints将该线输出为hub.dat,作为轮毂线（默认处于激活状态）,HUB,Step1：

准备几何数据,通过选线模式取消HUB线的选择。

用同样的方法画出Shroud线。

通过FileExportGeometryControlPoints将该线输出为shroud.dat,作为轮盖线,SHROUD,附：

如何激活选线模式,在IGG中，线的选择模式可以通过以下几种方法激活：

下拉式菜单GeometrySelectCurves快捷键“s”（IGG中区分大小写，在按下s之前，请确认CAPSLOCK健未被激活）在IGG窗口的空白处，点击鼠标右键，弹出式菜单中点击“SelectCurves”当选线模式被激活时，IGG窗口下侧会出现黄色提示文字：

在选线模式下，用户可以通过鼠标点选相应的线。

此时，在线上点击鼠标后，如果线的颜色为黄色，则代表该线被选中。

如果线为青色，则代表该线未被选择。

在选线模式下，用户可以连续选择/取消选择多条线。

选线完毕后，点击鼠标右键释放选线功能，则IGG底部的提示文字消失。

在选线模式下，按下小写字母“a”可全部选择或全部取消选择所有显示的线。

每按一次“a”，则全部线的被选状态全部发生改变。

Step2：

导入几何参数,从IGG切换至AutoGrid模块,启动AutoGrid后，会出现一个对话框，记录了以前保存过的文件。

用户可以直接选择打开。

如果列表中没有所需的文件，可以通过按钮2选择打开。

如果是第一次启动AutoGrid，那么这个区域则是空白的。

26.1关闭该对话框。

2,Step2：

导入几何参数,AutoGrid5主界面：

Step2：

导入几何参数,快捷面板：

Step2：

导入几何参数,在左侧快捷面板GeometryDefinition中打开ImportCAD窗口。

用户可以在这个窗口中定义Hub，Shroud，Blade（PressureSide、SuctionSide）以及子午效应、3D效应等。

打开先前生成的hub.dat,shroud.dat,PS.dat,SS.dat,Splitter_PS.dat,Splitter_SS.dat。

（FileOpen）,在叶片排参数定义过程中，必须保证该叶片排处于激活状态，即显示为图示红色！

Step2：

导入几何参数,定义HUB，SHROUD。

29.1IGG中的线段是有方向的，要使AutoGrid能正确调用，每一条线的方向必须是从进口指向出口，从叶根指向叶顶。

选中所需要的线（GeometrySelectCurves,黄色为选中，青色为未选中），查看线段的方向（+o），如果发现有方向不对的线，用GeometryModifyCurveReverse工具将该线反向。

本例中在画HUB和SHROUD线时都是从进口指向出口，因此不存在反向问题。

Step2：

导入几何参数,29.2左键点击任意空白处，释放两条线的选择。

29.3点击选中Shroud线（变为黄色），点击鼠标右键，在弹出菜单中选择LinktoShroud。

在AutoGrid主界面子午视图中会出现Shroud的型线。

注意：

Shroud（Hub）也可用多条线段定义，但在选择指定的时候，选择的顺序必须是从进口到出口！

Step2：

导入几何参数,29.4点击任意空白处释放Shroud线的选择29.5点击选中Hub线，在右键弹出菜单中，选择LinktoHub。

Hub和Shroud定义完后，AutoGrid会自动将两条线的端点连接，并将所围成的区域设定为计算域，以蓝色表示。

Step2：

导入几何参数,定义长叶片。

30.1将鼠标移近长叶片压力面，当出现蓝色网格面的时候，左键点击。

这时该面的四条变为黄色，表示被选中。

点击鼠标右键，在弹出菜单中选择LinktoPressureSide。

这一操作将在AutoGrid主界面子午视图中定义出叶片的压力面。

定义完成后，左键点击任意空白处，面的四条边恢复成青色，表示该面的选择被释放。

30.2用同样的方法定义长叶片吸力面（LinktoSuctionSide）。

注意：

只有在叶片前缘和尾缘都是钝头的情况下需要分别linkpressureside和suctionside，只要有一个是圆头，则只需同时选中吸力面和压力面，linktoblade！

Step2：

导入几何参数,定义前缘、尾缘位置。

31.1选择长叶片进口处任意一条线（GeometrySelectCurves），右键选择LinktoLeadingEdge,31.2用同样的方法选择长叶片出口处任意一条线，右键选择LinktoTrailingEdge,到此为止，大叶片的定义全部完成。

由于该叶轮是半开式，叶片顶部和轮盖间存在间隙，故叶片和轮盖并不相交。

这时，AutoGrid会弹出一个右图所示的提示框。

关闭即可。

Step2：

导入几何参数,定义分流叶片。

32.1在左侧快捷面板中，左键激活row1，右键打开弹出菜单。

选择AddBlade。

32.2激活splitter1，按照长叶片的方法，在ImportCAD窗口中定义分流叶片的吸力面、压力面、叶片前缘、尾缘。

同大叶片一样，在小叶片定义完后，会弹出一个提示框，提示叶片和端壁没有相交。

定义几何单位。

33.1在左侧快捷面板几何定义菜单下，将几何单位设置为Millimeters,Step2：

导入几何参数,叶片延伸,34.1激活MainBlade，在右键弹出菜单中选择ExpandGeometry。

34.2在Hub栏下选择expand，设置Cutoffset=0.5，Extentoffset=0.5。

表示将Hub线先向内移动0.5mm，保证Hub和叶片有交线；再向外移动0.5mm，将叶片延伸至该处。

34.3在Shroud栏下，分别设置Cutoffset1，Extentoffset1。

34.4点击Apply确定。

34.5激活splitter1，用同样的参数将小叶片延伸。

AutoGrid在生成网格时，要求叶片和端壁必须有交线，否则网格不能正常生成。

因此，必须对叶片进行延伸。

这一操作只是为了满足网格生成的需要，延伸出的部分会被端壁及间隙所切割，不会改变真实几何。

Step2：

导入几何参数,所有的几何定义完全后，在计算域的前后会出现两条线，表示计算域的进口位置和出口位置。

如果定义不完全，那么这两条线将不会出现，因此可通过这种方法检验几何定义是否完全以及正确。

Step2：

导入几何参数,关闭ImportCAD窗口。

按照图示调整进出口位置。

默认的进出口位置是hub和shroud两端点的连线，用户可根据需要或实际的物理情况对其位置及形状进行调整。

控制点控制方法：

鼠标拖动:

将鼠标移至进（出）口上,当进（出）口线变为黄色时,左键确定.这时会出现若干个控制点,鼠标移至控制点时,该点会变成黄色,左键点击该点后,即可自由拖动。

精确定位：

当控制点变成黄色后，点击鼠标右键，则会弹出文本框，用户可输入其（R,Z）坐标进行定位。

当进（出）口线变为黄色时，点击鼠标右键，在弹出菜单中选择Properties，在Shape栏中定义所需位置及形状。

Step2：

定义叶片参数,左键激活row1（变为红色），在右键单击弹出的菜单中选择Properties。

在弹出的对话框中，输入Periodicity（叶片数）6，RotationalSpeed（转速）60000rpm，选择Impeller，Centrifugal。

关闭该对话框。

NUMECA中，转速有正负之分。

可用右手法则来判断。

四指的旋向和叶轮转动方向相同，大拇指的指向和Z轴正方向相同，则转速为正，反之则为负。

定义叶顶间隙。

40.1激活row1，在右键弹出的菜单中选择DefineShroudGap。

40.2在弹出的对话框中，按下图数值定义叶顶间隙尺寸。

每输入一个数值，必须按确定。

40.3关闭该对话框。

间隙设定：

间隙既可以是根部间隙，也可以是顶部间隙，分别对应HubGap和ShroudGap.间隙的尺寸单位和叶型数据单位相同。

用户在进行其他算例的网格生成时，需额外注意叶型尺寸的单位，这样方可确定应当给定的间隙尺寸的单位是米、厘米还是毫米。

间隙中展向网格的数目包含在展向总网格数中。

AutoGrid中支持三种方式定义间隙：

a.间隙尺寸不变。

此时只需指定前缘和尾缘的间隙尺寸为相同值即可。

b.间隙尺寸线性变化。

此时需分别指定前缘和尾缘的间隙尺寸，AutoGrid会根据这两个尺寸值进行插值确定间隙尺寸的变化规律。

c.间隙尺寸是随意的变化形式。

此时可通过DefinedShape来引入定义间隙根部的型线即可。

Step2：

定义叶片参数,Step3：

生成默认拓扑结构,在左侧快捷面板MeshControl下，选择Coarse。

（一般来说，为了保证数值模拟的精确性，网格越密越好，通常都选择Medium作为基准网格。

本例只做演示使用，为了节省时间，故选择了最粗糙的网格Coarse）计算壁面第一层网格尺度,ywall为壁面第一层网格大小，单位m；Vref为参考速度，单位m/s；Lref为参考长度，单位m；为流体的运动粘性，单位m2/s;Y+为无量纲量，对应不同的湍流模型，有不同的取值范围。

这里，Vref取叶轮出口速度177.5m/s；Lref取叶轮半径0.02825m；取1.4310-5m2/s;Y+取5，计算得到ywall110-5m。

由于本例中的几何单位是mm，故这里需要将单位转换为mm。

因此，最后得到的第一层网格尺度为0.01mm。

42.1将CellWidth设置为0.01，确定,Step3：

生成默认拓扑结构,点击（Re）setDefaultTopology,AutoGrid会根据选择的网格层数及第一层网格大小，自动生成一个网格拓扑结构。

一般来说，这个默认的网格拓扑结构都可以获得一个比较满意的网格。

当然，用户也可在此基础上根据需要对网格进行调整。

调整的内容包括两个方面，一个是子午面，一个是叶片叶片（B2B）。

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,子午面控制包括调整叶高方向网格数目，分布，以及间隙内的径向网格数目及分布。

这里可不进行任何调整，使用默认拓扑结构设定的参数。

Step4：

子午面控制,Step5：

叶片叶片控制,叶片叶片控制包括调整网格拓扑形式、周向、流向网格数目以及间隙内O网格数目。

这里也不做任何修改，使用默认拓扑结构设定的参数。

Step6：

生成三维网格,点击工具栏中的Generate3D，在弹出的窗口中点击yes确认三维网格生成。

最终生成的网格，不能存在负网格，否则计算无法进行。

原则上，最小正交性角度越接近90越好；最大网格长宽比越接近1越好；最大网格延展比越接近1越好。

但实际中，很难得到三者兼得得网格质量，所以一般推荐：

最小网格正交性角度5最大网格长宽比5000最大网格延展比10应当尽可能地提高网格质量，以避免不必要的数值误差。

对于网格正交性而言，在某些算例中，可能甚至会出现角度小于1的情况。

但一般而言，只要不存在负网格，计算就可以进行。

Step7：

检查网格质量,三维网格生成后，会自动弹出一个网格质量检测报告。

通过这个报告，用户可以粗略地了解所生成网格的最小正交性，最大长宽、最大延展比及其分布。

附：

网格质量参数定义,正交性（Orthogonality）：

网格相邻两条边之间相互垂直的程度。

二维标准，范围0-90。

正交性表征网格面两条边之间的最小角度。

如果两条边的夹角大于90，则正交性按（180-实际角度）确定。

长宽比（AspectRatio）：

如图示。

二维标准，范围1-10000。

如果实际值超出这个范围，重置为10000。

延展比（ExpansionRatio）：

如图示。

三维标准，范围1-100。

表征相邻两个网格的大小变化。

和方向有关。

如果实际值超出这个范围，重置为100。

如果在某个方向只有一个网格，那么这个参数没有任何意义。

Step7：

检查网格质量,除了质量报告外，AutoGrid还提供了详细的网格检测工具，包括各个block的正交性，长宽比，延展比，以及边界条件，负网格检测等。

用户可根据需要选取相应的菜单命令。

查看各个block中的网格质量。

在Type下拉菜单中可以选择想要查看的量，并在Block下选