NUMECA幫助文檔六

1、第十二章 跨葉片截面模塊12.1緒言本章針對透平機械講述快速三維跨葉片截面模塊的分析過程。這個模塊是全自動完成的并且利用一些NUMECA工具。此外，附加模塊FINE/Design2D這些工具聯(lián)系起來，可以進行葉片重新設計，改善葉片表面壓力分布，關于這些詳見第13章。這個模塊假設流動是軸對稱的，并且流面形狀和厚度也由用戶提供或由參數(shù)自動生成(利用根部和頂部邊界)。幾何輸入數(shù)據(jù)必須由用戶提供：1、 流面及葉片這個流面上的截面或2、 完整的葉片輪廓及端壁本模塊由網(wǎng)格自動生成與NS湍流方程組成。在下一節(jié)講述這個跨葉片截面模塊的界面及對用戶的建議。12-4節(jié)講述自動生成網(wǎng)格的理論和求解方程。12-5節(jié)講

2、述幾何數(shù)據(jù)和輸出結果。12-6講述實例。12-2跨葉片截面模塊的界面在FINE/Design2D界面之下運行跨葉片截面模塊，這些可以高速，簡單，交互式求解。所有參數(shù)可以在用戶界面中選取，并自動創(chuàng)建輸入文件及求解。監(jiān)視工具，MonitorTurbo,可以在計算中和計算后檢查收斂情況及結果。它可以實時查看葉片表面壓力分布的收斂過程及葉片幾何形狀。結果分析利用 NUMECA CFViwe 后處理工具進行，自動進入跨葉片截面模式。幾何數(shù)據(jù)以ASCII輸入文件列出，但是求解參數(shù)定義及邊界條件在這個界面中列出。這個截面的描述由FINE/Design2D界面中的菜單創(chuàng)建。更詳細的說明見12-5.12.2.1

3、開始新的或打開現(xiàn)存S1面計算在開始界面下，Project Selection窗口允許創(chuàng)建新工程或打開現(xiàn)存工程。對于創(chuàng)建新的跨葉片截面工程，按如下操作：1、 單擊按扭Create a New Project2、 選取工程保存路徑及輸入文件名3、 關閉Grid File Selection窗口，Design 2D不需要輸入網(wǎng)格文件4、 進入S1流面模塊，菜單Modules/Design 2D如果要打開現(xiàn)存工程，在Project Selection窗口中單擊Open an Existing Project按扭，并在File chooser窗口中選取一個文件。最近使用過的文件在最近工程列表中列出。如果

4、所選取的文件是以Design2D模式保存的，則FINE界面自動轉到這個相應的模塊，顯示界面如圖12.2.1-1所示。FINE/Design2D界面如同F(xiàn)INE/Trubo界面一樣，包括菜單，工具欄，計算設置與參數(shù)區(qū)域。在菜單中同樣也有一個Modules項，可以快速轉到其它模塊。Design2D模塊的圖標欄僅包括2D計算內(nèi)容。界面左側的參數(shù)列表也是與2D計算一致的。這一項的大多數(shù)內(nèi)容與FINE/Turbo工程是相似的。之間的差別僅在于：l 在Flow Model頁：Design2D模塊不能進行非定常計算。l Boundary Conditions頁的說明見12-2.3l Blade-to-bla

5、de data頁的說明見12-2.2l Initial Solution頁的說明見12-2.512.2.2 跨葉片截面數(shù)據(jù)Blade-to-blade data頁(上圖左側倒數(shù)第三行展開)出現(xiàn)三個分項：ll 網(wǎng)格生成參數(shù)，l 反問題：僅需2D設計參數(shù)，不需要分析。詳見第13章。葉片輪廓和子午流面(或端壁邊界)是由一些連續(xù)的點的坐標構成的ASCII文件輸入，詳細說明見12-5節(jié)所有的幾何數(shù)據(jù)都有一個相同的長度單位(可以任意選擇)。這個長度單位設置是在Blade geometry頁Blade geometry項進行選擇。12-2.2.1 葉片幾何定義輸入數(shù)據(jù)類型有三種形式可用：-2D：僅對軸流適用

6、，且流面為圓柱面(半徑為常數(shù))。這個葉片幾何模型是在這個流面上。-Q3D：The axisymmetric streamsurface is given, and the blade geometry is specified on the given surface.-3D: 這個完全的3D幾何模型是由連續(xù)的葉片截面組成（最少數(shù)2個截面，次序是從根部到頂部）。a) 流面數(shù)據(jù)圖12.2.2-2顯示了輸入?yún)?shù)區(qū)域。對不同的輸入文件類型需要輸入文件：l 2D 或 Q3D：流面定義文件l 3D ：端壁文件，兩個文件，根部曲線和頂部曲線輸入文件類型為3D則需要附加參數(shù)：l 幾何分區(qū)或用戶定義流面 Ge

7、ometrical division 或 streamtube providedl 如果是Geometrical division：展向位置為0-1之間l 如果是streamtube provided：輸入兩個文件(兩條直線)In both cases the module automatically calculates the intersection of the 3D blade with the considered streamsurface。對3D類型，推薦展向邊界網(wǎng)格厚度為1%In a 2D，Q3D or 3D case with streamtube provided, th

8、e blockage ratio permits to scale the streamtube thickness distribution.無論哪種輸入數(shù)據(jù)類型，都必須設置 NB of points along meridional trace.這個值默認為300.b) 葉片幾何數(shù)據(jù)在Blade Geometry頁，依據(jù)輸入數(shù)據(jù)類型，葉片幾何定義需要如下參數(shù)：l 葉片幾何數(shù)據(jù)文件：-2D或Q3D：吸力面與壓力面文件-3D：展向截面數(shù)及每個截面的位置，每個截面的壓力側與吸力側文件l 前緣鈍角邊：如果選取，則前緣鈍角處理l 尾緣鈍角邊：如果選取，則尾緣鈍角處理l 分流葉片：(我對這個沒興趣)l

9、 長度單位：用戶輸入數(shù)據(jù)所采用的單位，為米與所采用單位之比(如果輸入的數(shù)據(jù)單位為毫米，則這個比值為0.001)。全部幾何數(shù)據(jù)必須采用相同單位，即用戶所選取的這個單位。lc) 葉片數(shù)據(jù)編輯選取Blade data edition將修改前緣或與尾緣數(shù)據(jù)。12-2.2.2網(wǎng)格生成參數(shù)如圖12.2.2-5這一項必須由用戶修改。系統(tǒng)默認值對大多數(shù)網(wǎng)格是適用的?？捎玫木W(wǎng)格生成參數(shù)有：l H- or I網(wǎng)格：用戶可選是否包含上游和/或下游網(wǎng)格。l 生成方式：全自動或半自動-對全自動模式，用戶僅需指定吸力側網(wǎng)格點數(shù)。其它區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)按光順需要計算出。-對半自動模式，用戶指定上游或下游的網(wǎng)格傾斜角度，以及每個區(qū)

10、域的網(wǎng)格數(shù)。l 圓周方向網(wǎng)格數(shù):這個數(shù)最好是8的倍數(shù)，這樣有四重網(wǎng)格可用。l 周期性邊界的類型：選取直線或曲線。默認為周期性邊界線為曲線。l 在下面的三頁中的參數(shù)影響了網(wǎng)格的質量和分布a) clustering第一個參數(shù)clustering coefficient in streamwise direction輸入值范圍為從0.0到1.0。如果值為1.0則網(wǎng)格均勻分布，如果為0.0則所有網(wǎng)格點集中在邊緣。第二項為定義Euler網(wǎng)格生成還是N-S網(wǎng)格生成。如果選取了N-S網(wǎng)格生成還必須設置以下參數(shù)：l 第一層網(wǎng)格單元的尺寸(單位：米)l pitchwise 方向的網(wǎng)格數(shù)l 從葉片邊緣到進口或出口

11、的clustering 類型，constant 或 decreasingb) smoothing橢圓形光順可改善網(wǎng)格質量。用戶可選clustering control 與orthoganallty control，并設置光順次數(shù)Number of sweep.c) local pre-smoothing局部光順用于前/尾緣半徑的網(wǎng)格。12-2.2.3 反問題設計菜單這個菜單為反向設計模塊。當進行流動分析時，這項菜單的內(nèi)容不需要指定。對于反問題模塊的詳細說明見第13章。12-2.3 邊界條件在Boundary conditions 這一頁允許定義進出口邊界及旋轉速度。這個Rotational s

12、peed單位必須是RPM(revolutions per minute每分鐘轉數(shù)，旋轉方向的正向與定義的正向相同，參看圖12.5.1-12)12-2.3.1 進口邊界條件以下為可用的進口邊界條件：l 絕對速度方向(弧度)+絕對總量(Pa ,K)l 相對速度方向(弧度)+相對總量(Pa, K)l 絕對速度分量V(m/s)+絕對總量(Pa, K)l 相對速度分量V(m/s)+相對總量(Pa, K)l 質量流量(kg/s)+絕對速度方向(弧度)+靜溫(K)l 質量流量(kg/s)+相對速度方向(弧度)+靜溫(K)l 質量流量(kg/s)+ 絕對速度分量V(m/s)+靜溫(K)l 質量流量(kg/s)

13、+ 相對速度分量V(m/s)+靜溫(K)用戶選取其中一種方式設置進口條件。12-2.3.2 出口邊界條件有三種出口邊界條件可用：l 出口靜壓(Pa)l 質量流量(kg/s)(+出口靜壓用于初始計算)l 超音速出口(出口靜壓由初始計算)零階和一階外推法可用，同時可用專家模式(默認為零階)。設置質量流量為邊界條件對于反問題方法則是比較穩(wěn)定的。因此在分析過程中也推薦用質量流量作為邊界條件。比較理想的設置是質量流量進口和壓力出口，或是進口的總量與出口質量流量。12-2.4 數(shù)學模型通常Numerical Model參數(shù)的默認值是適當?shù)?。In the blade-to-blade module it i

14、s not possible to perform the calculations on a coarser mesh level as it is the case with 3D projects.12-2.5 初始求解菜單12-2.6 輸出參數(shù)這個菜單允許選取一些輸出量。這個模塊自動創(chuàng)建用于CFView工程的3D與2D的輸出文件。關于這個菜單命令詳見12-5.2.12-2.7 控制變量在這個Control Variables 頁用戶需要選擇流動分析或反問題設計模式。如圖12.2.2-10.所有的相關參數(shù)見第15章FINE/Turbo計算。12-2.8 跨葉片截面流動分析一旦 .b2b

15、和 .b2b.inp 輸入文件被正確創(chuàng)建，就可以開始流動分析，在Solver菜單單擊Start按扭。重新開始以前的計算也同樣是在Solver菜單按Start按扭，并選取一個初始求解文件。不能在粗網(wǎng)格中進行計算，重新計算也不可以多重網(wǎng)格設置。12-3 專家參數(shù)在專家模式下Control Variables 頁，連續(xù)的專家參數(shù)可用：ITERZ ：迭代步數(shù)，在這個范圍內(nèi)不進行湍流計算。通常設為200.IATERZ : 這個轉換與前一次計算有關。通常設為1(默認值)。12-4 理論這一節(jié)主要講述網(wǎng)格生成工具和跨葉片截面流動求解。12-4.1 網(wǎng)格生成這個網(wǎng)格自動生成工具可創(chuàng)建H(周期性) 或 I(非周

16、期性) 形網(wǎng)格，按用戶提供的參數(shù)。相反多數(shù)quasi-3D方法在軸流面上生成2D網(wǎng)格，這個網(wǎng)格相當于3D網(wǎng)格在展向只有一個單元。這個求解也主要是采用3D流動求解。此外12-4.2 求解器12-5 跨葉片截面模塊的文件格式12-5.1 輸入文件B2B運行需要三種輸入文件：l 幾何輸入文件，葉片幾何定義l 求解輸入文件(.run),求解參數(shù)，流體，流動條件定義l 反問題設計輸入文件允許定義反問題這個由用戶創(chuàng)建的幾何輸入文件與AutoGrid輸入文件的格式相同。求解和反問題設計輸入文件是由用戶在FINE/Design2D環(huán)境中設置參數(shù)和流動條件后由程序自動生成的。在下一節(jié)講述幾何輸入文件。12-5.

17、1.1 幾何輸入文件葉片幾何數(shù)據(jù)和流面(或端壁)是由ASCII文件中連續(xù)的點的坐標構成。三種格式的幾何輸入文件可用：l 2D類型：這個設置僅對完全的軸向網(wǎng)格，流面為圓柱(半徑為常數(shù))。The blade geometry is then given on the cascade plane(cylinder developed to generate the cascade).l Q3D類型：The axisymmetric streamsurface is given(including its thickness), and the blade geometry is specified

18、on the given surface.l 3D類型：3D葉片模型由一些葉片截面構成(最少2個，按由根部到頂部的順序)。這個根部和頂部端壁也同樣是單獨列出。這個流面可由用戶指出(輪緣和輪轂)，或自動計算得出(幾何分區(qū)).在下一步，用戶僅需指出展向位置及厚度。所有的幾何數(shù)據(jù)都應用相同的長度單位(用戶所選取的).a) Streamsurface Data:對2D與Q3D類型，在ASCII文件中必須指定流面和厚度。對3D類型，由兩個文件分別定義根部和頂部端壁。Streamsurface 數(shù)據(jù)文件構成如下：第一行：輸入文件標題第二行：坐標系統(tǒng)： ZRB(用于2D與Q3D類型) ZR，RZ 或XYZ(

19、用于3D類型)第三行：N 數(shù)據(jù)點的數(shù)量第四行到第3+N行：點的坐標2或3列(按進口到出口排列)第4+N行： 行標記(可選)第5+N行：Zin, Zout, Rin,Rout,指定網(wǎng)格進出口位置(可選)(X,Y,Z)為直角坐標(Z為旋轉軸方向)，R為徑向，B為流面厚度網(wǎng)格的進出口位置按以下方式確定：l 按流面數(shù)據(jù)(4+N行和5+N行)l 利用FINE輸出參數(shù)B2BLIMb) 葉片模型數(shù)據(jù)12-5.2 輸出文件12-5.2.1 幾何文件12-5.2.2 變量文件12-5.2.3 數(shù)字控制文件12-6 網(wǎng)格驗證12-6.1 VKI-LS82 葉片12-6.2 ARL SL 19 亞音速壓縮機葉片第十

20、三章 Design 2D13-1 緒言本章描述了FINE/Design 2D模塊進行透平反問題設計。這個模塊是與第十二章跨葉處截面相關的，增加了網(wǎng)格生成和流動求解，2D模塊包含了葉片重新設計的反問題方法。這種方法允許按葉片表面壓力分布重新設計葉片型線。使用本方法需要跨葉片截面流動的許可。FINE/Design 2D單獨使用一些NUMECA工具。NUMECA計劃擴充FINE/Design 2D的功能，應用領域和設計方法。這個第一個版本對于透平葉處的反問題設計有局限，因此綜合了跨葉片截面方法在這個界面。分析和設計這兩個模塊基于一個假設，即流動是軸對稱的。這個幾何輸入是必須的，對于反問題設計則不需要

21、分析。(參看第12章)關于跨葉片截面方法的更多信息，見第12章。在下面的章節(jié)中介紹了使用反問題設計方法的注意事項。關于反問題的理論分析見第13-3節(jié)。Design 2D模塊的幾何數(shù)據(jù)輸入和結果輸出見第13-4節(jié)。最后在第13-5節(jié)以實例驗證了這個模塊的功能和作用。13-2 反問題設計這個反問題設計的相關描術見第十二章。全部的參數(shù)都可在界面中選擇設置，自動創(chuàng)建文件及分析。圖形控制，Monitor Turbo,可以實時監(jiān)測收斂過程，如壓力沿葉片表面分布，葉片生成，同樣也可與壓力分布相適應。這個結果可以被NUMECA CFVivew后處理。等等這一節(jié)講述下面三個問題：l 開始一個新的或打開型線工程l

22、 計算及相關設置l 分析跨葉片截面流動13-2.1 開始這個模塊運行首先要啟動FINE界面，然后菜單Modules/Design 2D。啟動FINE后，在Project Selection窗口，允許Create a New Project或Open an Existing Project。創(chuàng)建一個新跨葉片截面工程按如下操作：1、 單擊Create a New Project按扭2、 選擇路徑，并輸入文件名，確定3、 關閉Grid File Selection窗口，沒有網(wǎng)格文件與當前工程關聯(lián)。4、 轉換到Design 2D模式，菜單Modules/Design 2D如果要打開一個已存在的Desi

23、gn 2D工程，單擊按扭Open an Existing Project在Project Selection窗口中，并在File Chooser窗口中選取文件。如果是最近計算過的工程也可以在最近工程列表中選取。如果所選工程是在Design2D中保存的，則FINE界面自動轉到這個相應的模式。Design 2D模塊界面的介紹見第12章。這里僅講述跨葉片截面分析計算，相應的操作選項頁面為Inverse design.下面各部分講述相關的設置。13-2.2創(chuàng)建反問題設計的輸入文件反問題設計應該是從初始幾何模型的流動分析開始。當跨葉片截面計算收斂后進行分析，用戶可用反問題方法修改葉片。為這一目的必須準備

24、兩個文件”,”，這兩個文件是在分析過程中添加的。13-2.2.1 輸入文件”這個文件”是在FINE/D應該選擇三個可能的反問題公式中的一個：l Classical formulation: 利用壓力在葉片周圍的分布修改葉片的吸力側和壓力側曲線。如果要使用這一公式，則這兩條曲線必須是封閉的。l Mixed formulation: 僅對吸力側修改，按吸力側壓力分布。這個方法也同樣要求曲線是封閉的，至于壓力側則按吸力側修改。l Loading formulation: 按從前緣到尾緣的加載分布修改葉片的曲率直線。因為葉片厚度分布是常數(shù)？，所以不要求輪廓線封閉。這個反問題設計的目標計算可按等熵馬赫數(shù)

25、或壓力系數(shù)(pressure coefficient Cp)進行.這個等熵馬赫數(shù)的計算對于可壓縮流動是限制的。允許控制前緣和尾緣。這個反問題方法允許保持一些局部不變，如前緣和尾緣區(qū)域。這些固定區(qū)域的壓力側和吸力側的點的數(shù)量由用戶指定，默認為1。無論如何，凍結前緣和尾緣區(qū)域是被推薦的。如果初始葉片流場分析中發(fā)現(xiàn)了尾緣的流動分離，極力推薦凍結尾緣區(qū)域。有兩個松馳因子可用：l 第一個松馳因子(默認值為1.0) 兩個文件”.req”和”.vel”。這個松馳因子不經(jīng)常使用。l 第二個松馳因子(默認值為0.05)，對幾何模型修改。這個值從0.01到0.1這間改變。高的值0.1因穩(wěn)定性不推薦使用，相反，低的

26、值0.01通常不能進行反問題處理。這兩個松馳因子默認值分別為1.0和0.05.最終，下列幾何模型約束是可用的：l 幾何模型輪廓封閉永遠可用，除非：-葉片厚度是自動約束的(“l(fā)oading” formulation)-葉片尾緣是鈍角，并且trailing edge thickness does not need to be maintained.l Constant stagger angle 不經(jīng)常使用l Constant blade chord: 這個約束允許保持葉片的弦長,這個選項不應該與constant radius 共同使用，因為這兩個設置是相矛盾的。l Constant radius

27、: 這個設置推薦用于徑流透平，允許保持子午面前/尾緣位置不變。這些點被轉移到圓周方向。這個設置不推用于在半徑尾緣。l Reference point: 選取前緣為固定參考點(默認值)，或尾緣(需選相應按扭)。13-2.2.2 輸入文件 ”projectname.b2b.req”這個”projectname.b2b.req”文件如同”*.vel”和”*.load”輸出文件一樣，也是由B to B分析模塊自動生成。 如同由初始模型流動分析的結果文件projectname.b2 b.vel 或projectname.b2b.load 一樣，利用MonitorTurbo生成。利用MonitorTurb

28、o創(chuàng)建這個文件，應按以下次序：1、 啟動 MonitorTurbo2、 選取菜單 Loading diagram3、 打開或文件4、 選取Mis或Cp分布(in case the inlet total conditions are not imposed by the boundary conditions, the inverse problem has to be formulated in terms of Cp)。這個Mis和Cp的定義見公式Eq.13-1和Eq.13-2，第13-4節(jié)。5、 激活Markers以區(qū)分離散點6、 激活Edit a curve按扭7、 選取吸力側或壓力側曲線，把游標放在相應的區(qū)域，按<s>鍵選取。被激活的曲線顏色改變8、 利用鼠標中鍵修改這條曲線：a. Choose the lef