NASA Stage35压气机培训教程

NASAStage35压气机培训教程FINE/TurboNASAStage35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。设计转速设计流量设计转速17188.7RPM设计流量20.8kg/s叶尖速度454.456kg/s转子进口轮毂比0.7动叶展弦比1.19静叶展弦比1.26动叶叶片数36静叶叶片数46叶尖间隙0.408mm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_tolerance 1e-006units 1number_of_blades 7HUBXYZpolyline3530.020-0.15…0.29989873873077800.0150000000000001SHROUDXYZpolyline3530.020-0.15…0.2999576260239280-0.0149999999999999pressureSECTIONAL5#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STEP1STEP2STEP3STEP4STEP5STEP6STEP7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：36

RotationSpeed：-17188.7rpmRowOrientation：AxialStator:Periodicity：46

RotationSpeed：0rpmRowOrientation：AxialStep4定义FlowPath&间隙展向网格：73间隙网格：17间隙距离：0.0408Step5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_TopologyRator:Step6B2B网格_TopologyStator: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-6mStep6B2B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：0.0003Step6B2B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1.867Step8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：计算设定选择工作介质设定流动模型创建/打开项目，链接网格文件创建/重命名/删除计算名称否STEP1STEP2STEP3STEP4STEP5后处理:CFViewTM收敛?是设定边界条件开始计算(挂起/重新开始计算)设定数值参数(可选)设定求解初场设定输出变量设定控制参数STEP7STEP8STEP9STEP10STEP11STEP6设定转动部件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FluidModelStep3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123451.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ConservativeCouplingbyPitchwiseRows1、可以保证质量、动量、能量严格守恒2、沿周向网格的连接方式需一样3、较好的鲁棒性建议大多数情况采用此方法LocalConservativeCoupling1、建议只用于叶轮与蜗壳的交接面2、基于矢通量分解，对周向流动变化较大的情况增加求解的稳定性3、物理量并非严格守恒4、求解跨音速问题时可能会引起发散FullNonMatchingMixingplane1、质量、动量、能量严格守恒2、没有网格连接的限制FullNonMatchingFrozen-Rotor1、认为转静子连接为完全连接2、在交接面的信息传递过程中忽略动叶的转动3、转静子的周期必须相等NonReflecting1D1、用于交接面非常靠近叶片2、用于在交接面上有激波反射的情况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）

给定两个气流角（a，b）和总温、总压（采用BL湍流模型，五个未知量，给定四个）气流角（a，b）和总温、总压可以是常值，也可随空间或时间变化若采用SA湍流模型，还应给出湍流粘性系数若采用k－e湍流模型，还应给出k和e值（还有多种给法，对压气机来说，通常选用气流角和总参数）超音速（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）

给定背压常值，或平均值，或沿径向变化（径向平衡方程）（只用于轴流机器）给定流量（对压气机来说，通常选用静压作为出口条件，并从阻塞背压算起，因为这样有利于计算收敛。然后通过逐渐增大背压值来计算工况线。）超音速（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；…。o细网格0粗网格3oooooo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左右即可全多重网格第2层第1层第0层三层多重网格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ParametersOutputs(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：后处理第一步第二步第三步第四步第五步第六步打开后缀名为.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：GeometrySelectSurfaces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2.2.2ApplySaveClose快捷面板Step3：选择变量3.1选择已有变量：QuantityFieldData…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：QuantityFieldDataDefineNewQuantity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）11625432.41256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：VectorRepresentationStep4：选择显示模式(Respresentation)12344132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

235.1标量显示调整1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

221快捷面板Step5：调整显示5.3更新图形显示UpdateUndo选择区域(step2)选择变量(step3)Delete选择删除显示模式5314Step6：输出结果12341236.1输出图片：FilePrint选择图片格式设置图片名称6.2输出宏文件："FileMacroRecord"Step6：输出结果6.3