航空發動機主燃燒室網格

燃燒室往往幾何復雜，模型中有詳細的特征，如燃油噴嘴、旋流器、發散冷卻孔、摻混孔等。正因為燃燒室復雜幾何特性，針對它的網格劃分過程往往需要非常長的時間和較多人力、硬件資源。Ansys Fluent可加速大尺寸、復雜結構的燃燒室的網格劃分過程，使客戶擁有生成高質量網格的完全控制方法，從而保證生成魯棒且精準的計算結果。

為捕捉到燃燒室中的流動分配、火焰形狀、火焰筒壁溫以及污染物排放等物理化學過程，在仿真時往往需要對幾何模型局部進行網格加密。通常情況下，六面體網格的仿真精度會較高，但是燃燒室復雜的結構本身很難生成完全結構化的六面體網格。鑒于此，Ansys Fluent提供了一項專利技術，即“Mosaic網格”技術, 可在核心區生成六面體為主的網格，并在邊界層及貼體部分生成多面體網格。這個技術可以在燃燒室核心區域生成高質量的六面體網格，這是像LES湍流模型所要求的，而在其它區域生成多面體-棱柱網格，可使用混合尺寸求解湍流模型，如SBES模型等。

本文將根據Ansys工程師多年與行業頂尖客戶的合作經驗，詳細介紹在燃燒室方向進行Fluent網格劃分的5個最佳實踐點。

Ansys Fluent WTM流程是一個用戶界面友好、基于任務的工作流程，可為客戶提供必要的選項，并可靈活地針對客戶具體需求進行自定義。

在將幾何模型導入到Fluent之前，可先用Ansys SpaceClaim進行幾何前處理，尤其是做面和體的命名。當然Fluent Meshing也支持生成周期性邊界的網格。

在使用Fluent WTM流程時，每當完成一個任務，Fluent Meshing會自動生成一個綠色對勾。已經完成的任務也可以被改善，例如，當面網格質量最大扭曲度大于0.7時，Fluent meshing會生成一個綠色對勾，但在上面會一個綠色星標，右擊它則允許客戶插入新的任務，以進行相應的修改。

Fluent Meshing WTM流程

Fluent WTM將積累的最佳實踐方法內嵌到各個子任務中，以默認值的形式。高級用戶可以方便地檢查和修改相應選項。當客戶根據自己需求自定義相關任務后，也可以保存流程模板，這個模板可被再打開以及應用在其它幾何上。

客戶也可以使用基于python語言的文件來對Fluent Meshing進行批處理操作。

Mosaic Poly-Hexcore網格是Ansys Fluent Meshing的專利技術，它可加速網格劃分速度，以保證更快、更準確的仿真求解，通過減少網格面數量，提升網格質量及高效并行擴展來實現加速網格劃分的。

相比于之前的方法，對復雜結構的燃燒室模型使用Mosaic網格使得航空發動機用戶在網格劃分時間壓縮約20倍，同時求解時間壓縮30-50%。

Mosaic技術可用多面體網格連接不同類型的網格，它是六面體網格、多面體棱柱網格、多面體網格的結合。

Mosaic 網格

在大區域使用高質量的多面體到六面體網格，這種技術完全自動化并與附面層網格連接。六面體網格的仿真精度和效率較好，同時也大大減少了總的網格面數量，網格面數量減少會帶來更快的計算速度和更低的內存/硬盤需求。

生成高質量的多面體-六面體核心網格技術可充分利用Ansys Fluent并行網格劃分的優勢。例如，僅僅使用64核的電腦，航空發動機客戶就能實現每分鐘生成750萬網格并保證最大正交扭曲度在0.7以下。

而在另外一個測試中，在256核機器上，Mosaic poly-hexcore技術生成速率超過了一分鐘一千萬網格。

Fluent Meshing具有良好的并行擴展性

在Ansys Fluent中進行燃氣輪機燃燒仿真，LES模型常用于在核心區域精確捕捉摻混以及火焰形狀。然而，LES模型在求解貼近壁面處流動特征時容易得到準確解，尤其是在客戶未設置非常高質量壁面網格時。因此，Fluent使用混合尺度求解方法，如SBES，在壁面處使用RANS方法。

對于在壁面的RANS計算，推薦使用3層附面層網格。這種方法已經被證明可生成客戶所需的準確結果，同時也可避免在狹窄通道或小板孔中可能的網格塌陷。

旋流器和噴嘴部件網格分辨率

準確地模擬出燃燒室內的流動分配至關重要，一般會有約20-30%的空氣會通過罩帽進入燃燒室，這部分空氣對于燃燒組織尤其重要。在旋流器和噴嘴區域設置合理的網格分辨率可保證仿真的油氣比是正確的，而它會影響點火過程以及污染物排放的計算準確性。為此，一般在旋流器直徑方向布置10-15層網格。這個網格分辨率能夠保證旋流器和噴嘴位置處的仿真精度。

燃燒室核心區域網格分辨率

在燃燒室的核心區，需要均勻的網格來保證摻混、火焰形狀和污染物排放的仿真準確性。在此，一般使用BOI（body of influence）的方法來對燃燒室核心區域進行加密和控制。六面體核心的BOI帶來的網格可準確預測旋流器和噴嘴的摻混、摻混孔的貫穿深度等。同時這個BOI也要確保從罩帽到核心區的網格平滑過渡。Mosaic網格可保證兩者之間的平滑過渡。

燃燒室核心區域網格分布

摻混孔網格分辨率

為準確捕捉到摻混孔區域的縮流斷面和射流貫穿深度，Ansys推薦在摻混孔直徑方向布置8-10層網格，這樣的網格分辨率可保證準確預測摻混孔的淬熄效應及其在火焰筒的位置分布。

燃燒區外部網格分辨率

燃燒室環腔的網格尺度可以比主燃區網格稀疏，如需要，你可以使用RANS的網格分辨率來進一步減少網格量。當然Ansys推薦您在此處也布置足夠的網格分辨率來準確計算流動分配和壁面換熱系數。

燃燒室外環腔網格分布

網格質量對于仿真精度和穩定性有重要作用，Ansys Fluent有檢查網格質量的功能，如Orthogonal Quality和Aspect Ratio.

對于orthogonal quality，1表示質量完美，0代表質量最差，Ansys推薦最低orthogonal quaility大于0.1，以保證求解的魯棒性。你可以在WTM中生成體網格后，通過插入“Improve Volume Mesh”來進一步優化網格質量。

Aspect Ratio是衡量網格拉伸程度的量，最好避免它突然大的跳躍。若Aspect Ratio有大的變化，往往流場也會帶來大的改變或強梯度變化。在對燃燒室網格劃分時，盡量將最大aspect ratio控制在100以內。

按照上述5個方面進行燃燒室網格劃分，可以得到數量少、質量高的計算網格，這是燃燒室仿真結果準確的重要前提。為做驗證，本文還使用Ansys Fluent Meshing對文獻【1】中燃燒室進行了網格劃分，并使用Fluent對其進行了熱聲振蕩仿真。此燃燒室仿真的難點在于燃燒振蕩問題的準確模擬，需要在具體技術層面如網格劃分、湍流模型、求解器等進行相關設置。通過對仿真結果的分析，發現使用Fluent計算得到的燃燒室仿真壓力波動及功率譜密度均與試驗結果吻合較好。

燃燒室示意圖

燃燒室壓力脈動試驗與仿真對比

燃燒室壓力功率譜密度試驗與仿真對比