案例分享丨燃燒室模型的PERA SIM PreCFD高級CFD網格劃分方法

袁蘭峰

西安結構開發工程師


一、問題描述

燃燒室是航空發動機核心部件之一,它可把燃料中的化學能通過燃燒轉換為熱能,使氣體溫度升高,總焓加大,以便提高燃氣在渦輪和尾噴口中膨脹做功的能力。它的工作性能優劣直接影響發動機工作與飛機的飛行性能。

為了滿足航空發動機對高溫升、高熱容燃燒室的點火與穩定燃燒范圍、出口溫度分布系數、耗油率、火焰筒冷卻以及污染物與噪音排放等日益苛刻的要求,發展新的燃燒室設計技術,為先進航空發動機設計與研制提供有力的技術支持,是當前面臨的一項十分重要的任務。因此發展燃燒室數值分析技術,這對深入了解燃燒室內各工作過程、指導與優化燃燒室設計是至關重要,

網格劃分作為數值仿真的基礎十分重要,網格質量的好壞直接決定了仿真計算結果的準確性,本文以燃燒室模型為例,詳細介紹安世亞太自主開發的CFD前處理軟件PERA SIM PreCFD網格劃分流程。

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二、網格流程劃分

1. 幾何模型導入

PERA SIM PreCFD的前處理接口可以導入多種CAD模型,本案例導入的是x_t格式的幾何文件。

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圖1- 1導入模型的文件格式


導入的幾何文件是由一個固體零件組成的燃燒室模型,如圖所示。幾何在導入過程中會自動進行檢查,當前在目錄樹中geometry節點下顯示僅有double edges,沒有single edges,說明當前的零件幾何是封閉的實體。


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圖1- 2幾何顯示


2. 幾何修復


PERA SIM PreCFD前處理模塊提供了多種工具可以對幾何模型進行修復。本案例中導入的幾何模型發現在其腹部存在兩個多余的面,選擇Geometry-Quick Repair在左下方的屬性欄中設置Stich參數,點擊Repair,程序自動根據容差進行模型修復,修復后的模型如下圖所示。


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圖2- 1模型修復


3. 抽取體


PERA SIM PreCFD前處理模塊提供了Find volumes功能,用于在幾何拓撲關系的基礎上自動尋找封閉的體積空間,用于體網格的劃分。本案例中點擊Find volumes功能后,程序自動尋找出封閉的體積空間。

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圖2- 2體抽取工具

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圖2- 3抽取體


可以看到在目錄樹中geometry節點下,封閉的體積空間被命名為solid_1_S,若需要修改該名稱,可先選中該名稱,右鍵單擊,選擇Rename進行重命名。


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圖2- 4體名稱的重新命名



4.  邊界命名



2.4邊界命名


點擊工具欄中的選擇面工具,按住ctrl依次選擇需要命名的邊界面,右鍵單擊,在彈出的對話框中選擇Move to Group,在頁面左下方的屬性欄中定義邊界面的名稱,點擊Move,邊界即被定義。


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圖2- 5定義邊界名稱


在本案例中通過上述方法,定義了inlet、outlet、wall、wall2四個邊界名稱。


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圖2-6邊界名稱顯示


5. 網格劃分



5.1全局網格參數設置


邊界名稱完成后,切換到mesh頁面下,點擊下方的Global選項,設置最大最小尺寸。


針對本案例中模型的具體尺寸,設置整體網格尺寸的最大值為0.002m,最小值為0.001m,并依據曲面的曲率角自動進行加密。激活邊界層網格的劃分,設置近壁面第一層網格高度為0.005m,各層之間的增長因子為1.2,一共4層邊界層網格。


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圖2- 7全局網格設置


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圖2- 8參數設置



5.2局部網格參數設置


點擊mesh頁面下的Local Size選項,開始對網格參數進行局部設置。在Local Size Setting屬性欄中對選中inlet邊界,對其進行單獨加密處理,定義最大面尺寸為0.002m,最小面尺寸為0.001m,增長率為1.2,法向曲率角為20度,參數設置完成后點擊apply。


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圖2- 9局部網格參數設置



5.3網格劃分


在mesh頁面下,勾選Polyhedron,點擊Volume Mesh選項下的Based on Geometry,程序自動根據設置的全局及局部變量進行網格的劃分。 


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圖2- 10網格劃分


最終形成的網格如下圖所示:


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圖2- 11網格展示


6. 網格質量檢查


體網格劃分完成后,可以通過局部縮放或切片等功能對體網格進行查看。


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圖2- 12網格截面


PERA SIM PreCFD前處理模塊具有多種網格質量的檢查和評價標準,包括網格的體積、長寬比、正交質量、扭曲度等。下圖展示了當前體網格的正交質量標準,可以看到最低的網格質量大于0.05,滿足流體求解器的計算要求。


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圖2- 13網格質量檢查


通過PERA SIM PreCFD輸出的msh文件導入Fluent后可自動識別邊界名稱。


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圖2- 14網格導入fluent



三、結論


通過本案例展示的使用PERA SIM PreCFD對燃燒室模型網格劃分的詳細操作流程,可以看出PERA SIM PreCFD既可以對CAD模型進行修復處理,也具有優秀的網格劃分控制功能,能夠生成多種類型的體網格并對網格質量進行檢查,最終生成滿足各種流體求解器的高質量網格。


文章來源:安世亞太

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