關于Code_Saturne

       Code_Saturne是法國電力集團自1997年起自主研發的一款通用計算流體力學開源軟件。基于有限體積方法，支持多種類型網格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對稱、三維，穩態或非穩態，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計算問題。擁有多種不同的湍流模型，例如雷諾平均模型（Reynolds Average Navier-Stokes: RANS）與大渦模擬模型(Large Eddy Simulation: LES)。
       軟件涵蓋多種工業應用物理模塊：大氣模擬、煤粉、重質燃料及生物質的燃燒模塊、電弧與焦耳效應模塊、顆粒追蹤模塊、流體機械轉子-定子互動模塊等。為適應工業界復雜的物理問題，該軟件具備靈活的二次開發接口。其強大的并行計算能力，適用于超性能計算平臺處理大規模計算問題。該軟件在工業領域得到廣泛的應用與認可。

 

研究背景

什么是壓氣機的旋轉失速問題？

       旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態。失速現象一般首先發生在葉輪處，當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發生變動時，氣流會在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會阻礙通道內的氣流流通，減少通道內的有效流通面積，形成氣流堵塞團，不但會使發動機性能（推力、經濟性）大為惡化，限制發動機的工作范圍，更嚴重的可能會引起發動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發動機的損壞。

壓縮機中的旋轉失速

       失速現象可能對壓縮機造成嚴重損害，因此預測在何種工況下會出現旋轉失速的現象就顯得十分有必要。在本次介紹的算例中，就使用法國電力（EDF）開發的開源通用計算流體力學（CFD）求解器 Code_Saturne進行數值模擬，并將仿真結果同實驗測量數據以及FLUENT商業軟件的仿真結果進行比較，證明了Code_Saturne進行可壓縮流場仿真計算的可信性。

 

Code_Saturne仿真軟件的優勢

       針對本算例計算的可壓縮旋轉氣流流場的仿真模擬，Code_Saturne開源通用流體力學計算軟件具有以下的優勢：

• 所有代碼全部開源算法透明，同時方便植入和嘗試特殊模型和更加先進的求解算法。

• 有完善的GUI圖形化人機交互操作界面

• 具備絕大多數常用的RANS，LES以及混合湍流模型

• 良好的大規模并行計算可擴展能力，65000核并行計算32億網格量的算例依然具有很好的并行加速效果。

• 基于能源領域需求而開發的通用CFD軟件，長期在工業領域應用并具有豐富的工業驗證案例。

• 對簇狀結構和渦輪機械涉及到的周期性網格和動網格與靜網格耦合的支持良好

 

       作為一款開源軟件，Code_Saturne還提供了豐富的用戶自定義函數的接口，滿足不同仿真應用場景和案例的精細化設置， 用戶還可以根據自己的需求對源代碼進行修改，更加詳細的Code_Saturne用戶自定義函數的使用方法將在2021年1月份的Code_Saturne用戶自定義函數使用專題培訓中進行介紹。在本次算例中，就對軟件中的可壓縮流體模塊進行了用戶自定義的修改和優化，使其支持對旋轉氣流的仿真模擬精度更高。

 

Code_Saturne中的可壓縮算法和湍流模型的改進

       壓氣機失速現象涉及到對旋轉可壓縮氣流流場不穩定性的高精度的捕捉，針對本案例，對Code_Saturne內的可壓縮流求解部分的源代碼做出了以下的優化和改進。

 

?  對流項的離散格式增加至3階

?  使用2階Crank-Nicholson時間差分格式

?  植入并試驗了由?ada和Torrilhon提出的3階限制器

      同時針對Code_Saturne中的k-ω SST湍流模型進行了旋轉和曲率修正，使之更加適用于旋轉氣流仿真。

       為了對改進后的k-ω SST湍流模型，在Code_Saturne中測試了旋轉管流的經典驗證算例，模擬繞軸向旋轉的管道中的氣流流場。

       算例中流場對應的雷諾數（Re）為5800，測試不同羅斯貝數(Ro)下的模擬結果并同DNS仿真結果以及FLUENT商業流體力學軟件的仿真結果進行比較，驗證了改進后的k-ω SST湍流模型對于旋轉流場湍流特征的捕捉精度。

 

改進湍流模型前后的速度分布結果的比較

 

改進湍流模型前后的湍流粘性分布結果的比較

應用案例

NASA Rotor 67多級壓氣機風扇轉子

 

        NASA Rotor 67 是可壓縮流體的經典驗證案例之一，整個結構由22個風扇葉片組成，其設計工況為轉速16043 rpm，流量為33.25kg/s。本計算案例采用y+平均值為35的網格量為230萬的網格進行計算。計算使用 S-A湍流模和k-ω SST模型分別進行計算，并使用1階時間差分格式和2階MUSCL格式。

使用Code_Saturne仿真計算所得出的結果同公開的實驗測量數據以及使用Fluent商業計算軟件的仿真結果進行了對比，Code_Saturne和FLUENT的計算結果十分接近，且都與實驗所得數據基本吻合。

總壓力比和效率的Code_Saturne仿真結果，同實驗數據和FLUENT仿真結果的比較

 

質量流量為34.28 kg/s時的馬赫數云圖和等高線Code_Saturne (CS) 和Fluent的結果對比

 

NASA CC3離心式壓縮機的仿真 

        案例中模擬的NASA CC3離心式壓縮機的設計運轉工況為：

流量	4.536 kg/s
轉速	21789 rpm
壓氣比	4：1

 

NASA CC3網格以及壓力云圖

 

        壓縮機結構由15個葉片和15個分流葉片組成，整個壓縮機分別使用平均y+值為30的2180萬網格量的網格，和平均y+值為5的7000萬網格量的兩套網格進行了仿真模擬。模擬使用改進的 k-ω SST 湍流模型，1階時間差分格式 和2階 MUSCL格式。

使用Code_Saturne仿真計算所得出的數據與使用Fluent進行模擬的結果相比十分接近，同時也更為接近實驗數據。

       通過觀察在軸面上的速度云圖，也可以在葉輪與擴壓器之間捕捉到旋轉失速的現象，在葉輪和擴壓器中發現了四個脫流點，葉輪中脫流點處的速度是葉輪中旋轉速度的0.0587倍。還可以觀察到壓力擾動向上移動至葉輪的入口，同時高速氣流團向下游的的擴散器移動。

3.9kg/s 流量下（距輪轂70%范圍）的軸面速度 

 

結論

經過改進后的Code_Saturne算法采用了更高階的離散格式，可以準確地預測到離心式壓縮機中所產生的失速現象，仿真結果同Fluent模擬結果相比十分接近，且更符合實驗數據。如果想要得到更加精確的仿真結果，可以采用更加精細的網格或者LES湍流模型。但是由于壓縮機中氣流流場的速度較大，需要的計算資源也會更多。

 

*本文內容來自于法國電力研究院舉辦的Code_Saturne用戶大會（User Club），作者Andrew Heffro及其相關研究成果來自于倫敦瑪麗女王大學*

文章來源：遠算云學院