NUMECA使用準則V1.0

1、北京市海淀區(qū)中關村南大街9號1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁碼：10/11No： /11I尤邁克（北京）流體工程技術有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.NUMECA使用準則V1.0尤邁克（北京）流體工程技術有限公司編寫2008年3月KIJiIKbI尤邁克（北京）流體工程技術有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.TOC o 1-5 h z HYPER

2、LINK l bookmark6計算域的設定及幾何一致性3 HYPERLINK l bookmark8網(wǎng)格質量相關性4 HYPERLINK l bookmark10邊界條件設置5 HYPERLINK l bookmark12收斂判別標準5 HYPERLINK l bookmark14流場特征分析基礎6 HYPERLINK l bookmark18文件夾管理標準化8 HYPERLINK l bookmark20附：4個標準化計算和檢查文件8附錄1：文件管理布局9附錄2：葉片網(wǎng)格生成流程圖1011附錄3：計算設置檢查流程圖尤邁克（北京）流體工程技術有限公司NUMECA-BEIJINGluidEng

3、ineeringCo.Ltd.北京市海淀區(qū)中關村南大街9號1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁碼：3/11No： /11.計算域的設定及幾何一致性為了保證數(shù)值計算結果的準確性與可信度，幾何一致性就顯得至關重要。在準備幾何數(shù)據(jù)，提取幾何完成之后，在IGG中測量檢查葉輪幾何文件（*.geomturbo和蝸殼幾何文件（*.小8七）尺寸與原始二維/三維AD圖紙相一致，下一步的網(wǎng)格劃分就是對現(xiàn)有幾何空間的離散化以，此來控制數(shù)值模擬誤差的幾何誤差部

4、分。一般地，幾何數(shù)據(jù)可通過三種途徑獲得：CAD文件、數(shù)據(jù)文件或加工圖紙、如果是CAD文件，則要在CAD軟件中僅選中與流動部分（如葉片，流道內(nèi)側的幾何、蝸殼內(nèi)側的幾何等）相關的幾何線或面，輸出為UMECA軟件可辯認的格式（如IGES、arasolidCatia等格式）。當把這些文件輸入到IGG或IGG/Autogrid中時，首先要查對是否有線或面遺漏。在確認都正確的前提下，再開始制做網(wǎng)格。如果是加工圖紙或數(shù)據(jù)文件，就要通過IGG（如果幾何比較簡單）或任意CAD軟件把加工圖紙轉換成CAD文件，再重復上面的工作。如果只做葉片流道部分的數(shù)值模擬，那么加工圖紙或數(shù)據(jù)文件給出的只是葉型和子午流道的幾何，這

5、樣就可把加工圖紙轉換成數(shù)據(jù)文件，并寫成IGG可辯認的格式，直接讀入到IGG/Autogrid中。讀入以后，也要先認真檢查葉片和流道的幾何是否正確，特別是葉片的安裝角是否正確，葉輪轉向是否正確，葉輪進口為Z軸正方向等。還要注意葉片在軸向的安裝位置是否正確。葉片排之間的周向位置盡量重合，對計算結果沒有任何影響，但方便在后處理中對流場結果進行對比分析。如果幾何數(shù)據(jù)點比較少，需要在幾何曲率較大的區(qū)域增加若干控制點，以保證曲線或曲面的連續(xù)光滑。有時設計給出的數(shù)據(jù)在葉片前后緣沒有導圓，那么在制做網(wǎng)格以前首先要在IGG或CAD軟件中進行導圓。在導圓時要按照設計的要求，或者保證弦長、或者保證前后緣的安裝位置。

6、為了實現(xiàn)與試驗得到的性能結果的可對比性，計算域的選取是至為關鍵的。如果要與實驗數(shù)據(jù)進行比較，建議選擇與實驗段相對應的計算域。在設置計算邊界條件時，特別是入口條件時，要考慮計算與前部的流動歷程，如速度、氣尤邁克（北京）流體工程技術有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.北京市海淀區(qū)中關村南大街9號1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁碼：3/11No： /11流方同、以及總壓等的分布。特別地，對于壓氣

7、機部分，進口條件比較好?。喝绻嬎阌蛟O置在壓氣機的入口，就直接按照均勻的大氣條件給定總溫，總壓和軸向進氣條件；如果計算域的入口設在葉輪前緣不遠的上游，那么在設置總壓和氣流方向時最好要考慮內(nèi)外環(huán)壁邊界層的影響，比如可按照指數(shù)率給出其分布，邊界層厚度可去110mm（與入口面的軸向位置有關，越靠近葉片前緣，厚度越大）。對于氣流方向，可按照內(nèi)外環(huán)壁的曲率給出分布。對于渦輪，計算域入口最好的選中進氣蝸殼的入口，這里的氣流均勻，總壓、總溫和氣流方向均容易確定。但有時或者由于計算資源的限制、或者關心的重點是葉輪部分，需要把入口邊界設置在葉輪的上游，這時邊界條件就比較難以準確的給出。近似的辦法是：可按照蝸殼或

8、導葉出口的條件（特別是氣流角）來給出。這時在分析計算結果時，要考慮由于入口邊界條件所可能帶來的誤差。對于計算域出口和轉靜子面，這個位置盡量放置在流場已充分摻混均勻的位置，但要確信在出口處流動不會發(fā)生大尺度的回流。如果可能有回流發(fā)生，就要把出口的位置適當?shù)叵蛳掠窝由?。例如：壓氣機的轉靜子面設置在無葉擴壓器的中段（葉輪尾緣與蝸殼進口的中點）為了葉輪出口射流尾跡區(qū)的充分摻混，渦輪的出口位置距離葉片尾緣至少1.5倍葉高的尺寸。在FINE/Turbo軟件中，宏觀物理量采用的是質量平均的數(shù)據(jù)處理方式，在一些實驗中采用面積平均的數(shù)據(jù)處理方式，避免數(shù)據(jù)處理的不同方式來進行數(shù)值計算和試驗結果的錯誤對比。網(wǎng)格質量

9、相關性CFD數(shù)值模擬的可信度主要取決于求解器的精度的數(shù)值精度（如離散格式和計算方法）。在給定求解器的條件下，其計算精度和收斂速度在很大程度上依賴于網(wǎng)格的質量。所以，可以說網(wǎng)格質量很大程度上決定著求解器的數(shù)值誤差部分。具體準則如下：2.1網(wǎng)格不能存在負網(wǎng)格，否則計算無法進行。2.2原則上，最小正交性角度越接近90越好；最大網(wǎng)格長寬比越接近1越好；最大網(wǎng)格延展比越接近1越好。但由于邊界層、激波和尾跡等的存在，以及幾何的復雜性，實際上很難得到三者兼得的網(wǎng)格質量，所以一般推薦：jFkijfk最小網(wǎng)格正交性角度10最大網(wǎng)格長寬比5000最大網(wǎng)格延展比102.3應當盡可能地提高網(wǎng)格質量，以避免不必要的數(shù)值

10、誤差。2.4對于網(wǎng)格正交性而言，在某些算例中，可能甚至會出現(xiàn)角度小于1的情況。但一般而言，只要不存在負網(wǎng)格，計算就可以進行。但收斂速度會放慢，收斂曲線會劇烈振蕩，CFL數(shù)不能太大（小于2）。如果這時整體性能收斂很好,那么由網(wǎng)格引起的誤差只是局部性的，因此計算結果可以接收。2.5.對于延展比，不僅要考慮計算區(qū)塊內(nèi)部的網(wǎng)格分布，也要考慮塊與塊直接連接處的延展比。2.6導入原始幾何文件，檢查網(wǎng)格邊界是否與原始幾何完全重合，再次保證計算域的正確性。邊界條件設置當計算軟件和網(wǎng)格確定以后，計算結果將緊密地與邊界條件相關。因此，邊界條件一定要按照物理的實際來給定。對于進出口條件，在第一節(jié)“計算域的設定及幾何

11、一致性”中已經(jīng)做了部分說明。對于進口處的具體數(shù)值（總壓、總溫和氣流角），要按照實際實驗或設計數(shù)據(jù)給出。在給定出口邊界條件時（壓力條件或流量條件），一定要牢記：任何旋轉機械均是在一定的工作范圍內(nèi)（如流量范圍）運行的，因此給定的值不能超出這個范圍。一般地對于壓縮機，建議先從堵塞流量點附近算起，然后再逐漸減少流量或提高背壓。固壁邊界條件：對于不可壓流體的效率計算，需要輸出扭矩和軸向力的計算結果時，應采用區(qū)域定義轉速方式，并設置TORR專家參數(shù)為1.收斂判別標準殘差是迭代過程中各個基本方程（連續(xù)方程、動量方程、能量方程和湍流量輸運方程等）是否趨于穩(wěn)定（收斂）的重要評估參數(shù)。計算域內(nèi)的最大殘差或者RSM

12、殘差的大小直接反應了收斂精度。一般地將，殘差越小越好。由于存在數(shù)值精度問題，不可能得到理想的0殘差，對于單精度計算的機器，殘差一般應該低于1e-06以下為好，這時的計算可以認為是完全收斂。只有在完全收斂的條件下才可相信計算所獲得的結果。但對于流動分離嚴重的計算條件或工況（如小流量工況區(qū)、或者較差的網(wǎng)格質量等情況還是要具體問題具體分析。4.1全局殘差：建議全局殘差下降六個量級以上。但如果實際流動中存在大范圍的分離、或低的網(wǎng)格質量等，殘差降到三個量價一下也可認為收斂，滿足工程精度。4.2各塊中殘差：由于各塊中網(wǎng)格質量以及流動特性的不同，每一塊中的殘差下降幅度也會不同。但仍然推薦計算中,每一塊中的殘

13、差下降五個量級以上如果某個塊區(qū)的流動復雜，殘差在三個量價以下不再下降，也可認為收斂了4.3總體性能（進出口流量、壓比、效率、功率、扭矩和升力等）：收斂準則中最重要的一個參數(shù)。一般地講，這些總體特性參數(shù)要比計算殘差容易收斂。這些量的收斂表面總體特性已經(jīng)穩(wěn)定，殘差收斂表面流動細節(jié)達到穩(wěn)定。建議進出口流量相對誤差小于0.5%，且流量不再發(fā)生變化。對于有大分離渦的流動（尤其在進出口處），流量收斂曲線會發(fā)生振蕩，此時由于迭代中分離渦的位置和強度都會發(fā)生不同程度的變化，呈現(xiàn)非定常特性，因此流量也會隨之發(fā)生變化（但這種變化近似為周期性）。在這種情況下，也可認為計算收斂，或曰：振蕩收斂。在有些情況下，效率的收

14、斂要慢一些，因為效率直接與流動損失即流動細節(jié)相關，如果要進行效率的京西比較，就要在其它總體性能和殘差都收斂后在都計算若干步，實現(xiàn)效率曲線的收斂。4.4流場當?shù)刂担河嬎愕諗繒r，流場每一點處的參數(shù)值不應當再發(fā)生變化，或者對于有分離渦的情況，渦內(nèi)某一點的參數(shù)應當為周期性變化。用戶可以在FINE介面中跟蹤某一特性點的參數(shù)，并觀察其變化參數(shù)。4.5總體參數(shù)：對于定常計算,所有的總體性能（效率、扭矩、推力等）都應當變?yōu)楹愣ㄖ担辉匐S迭代步數(shù)而發(fā)生變化。對于有大分離的情況，這些參數(shù)則會呈現(xiàn)周期性變化。這兩種情況下都可認為計算收斂。對于非定常計算，所有的參數(shù)都應當呈現(xiàn)近似周期性變化。流場特征分析基礎在保證

15、計算域設定、幾何一致性、網(wǎng)格質量、邊界條件正確的基礎上，進行CFD求解過程。在判別達到收斂標準后，開始進行CFD后處理工作。我們不但要得到產(chǎn)品的宏觀性能，而且要從流場特征中分析判斷其產(chǎn)生原因和對流動的影響，以提供產(chǎn)品優(yōu)化改型的依據(jù)。流場的分析包括S1流面（葉片到葉片截面）尤邁克（北京）流體工程技術有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.北京市海淀區(qū)中關村南大街9號1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page

16、頁碼：3/11No： /11分析，可通過CFView截取不同葉高的截面，常常關心的截面有中葉高截面和靠近內(nèi)環(huán)壁（hub,如10%葉高）和靠近外環(huán)壁（shroud,如90%葉高）；S2截面分析，包括流道中央截面和靠近葉片吸力面和壓力面的截面；固體壁面分析，包括內(nèi)外環(huán)壁面和葉片表面；周向平均分析；以及笛卡爾圖分析等。在這些面上可以分析等值線（或云圖），或流線，或速度矢量圖。下面以幾個例子予以說明：1從某葉高截面（S1面）的相對速度（相對馬赫數(shù)）或相對總壓云圖上分析葉片到葉片的流動1）設計流量下的相對速度矢量圖，如圖1所示。從葉片前緣前方的流線或速度矢量可定性地看出氣流沖角，或來流與葉片中弧線在前緣

17、處切線（或進口幾何角）的夾角。圖中所示的沖角近似為0度。如果要知道準確的角度值，可通過在這個截面上做氣流角的云圖獲得。2）葉片表面的邊界層流動情況（包括邊界層的厚度，是否發(fā)生邊界層分離，這些都與翼型損失有關），可通過S1面的相對速度、或相對馬赫數(shù)、或熵等的云圖觀察。如圖2和3所示。圖2中的低馬赫數(shù)區(qū)域和圖3中的高熵值區(qū)域均對應著局部邊界層損失大。2子午平均的參數(shù)分布。這顯示了流道內(nèi)周向質量平均量的變化規(guī)律。對于工程師來說，也非常重要。例如圖4和圖5分布給出了壓氣機子午平均相對速度矢量圖和速度流線和熵增云圖。由圖4中的流線或速度矢量可以看出，流道在外環(huán)壁附近的低速區(qū)和葉輪出口區(qū)域發(fā)生了角大區(qū)域的

18、回流，由此將會產(chǎn)生能量損失，對應于圖5中的高熵值區(qū)。3葉片的載荷分布也是工程師們常常關心的。這可通過葉片吸力面和壓力面的靜壓云圖或笛卡爾圖來觀察，如圖6、7和8所示。圖8中上下兩條線間的差值就是載荷，因此由該圖可以看出葉片載荷沿流向的變化。由于葉頂間隙流動和間隙渦（對于開式葉輪）直接與載荷有關，因此由該圖還可間接反映間隙泄漏流和強弱程度。另外，有圖6和7中的等值線還可以看出沿流向的壓力梯度變化和流道內(nèi)的增壓過程。4.蝸殼或管道的流場特征以下圖9和10分別是進氣管及蝸殼內(nèi)的總壓損失分布和排氣管內(nèi)的總壓損失分布。北京市海淀區(qū)中關村南大街9號1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁碼：10/11No： /11尤邁克（北京）流體工程技術有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.Wl/MECAKIJTK文件夾管理標準化在長期CFD工程計算文件管理中，建立一個清晰的文件夾目錄是建立產(chǎn)品CFD性能