作者介紹

2004年博士畢業于西安交大，畢業后在多家全球500強跨國企業從事仿真應用工作，目前為GE Grid Solution Technology Center的仿真負責人。

 

前言

通常，認識和研究流體流動規律的方法主要有三種：理論分析、實驗研究和數值模擬。

理論分析是最早最基本的研究方法，它可以深入認識現象的本質規律，其結果帶有普遍性，各種影響因素清晰可見，同時它為檢驗數值計算的準確程度提供了比較依據；

實驗研究是研究流體流動的最基本的研究方法，它通過對產品模型進行測試分析，能綜合考慮影響流動的各種因素，結果客觀可靠。但實驗研究常受到一定的限制（如設備與運行的費用，實驗的條件等）。

數值計算方法正具有成本低及能模擬復雜或較理想的工況等優點，它可以拓寬實驗研究的范圍，減少實驗的工作量。從某種意義上說，在特定參數下用計算機進行一次數值計算相當于進行一次實驗。

隨著計算機水平的發展及計算方法技術的提高，數值模擬方法在越來越多的領域正發揮其獨特的作用。自1981年英國的CHAM公司推出求解流動與傳熱問題的商業軟件PHOENICS以后，迅速在國際軟件業形成了通稱為CFD（Computational Fluid Dynamics）的軟件產業市場，其它的求解流動與傳熱問題的商業軟件，如FLUENT、STAR-CD、CFX、NUMECA等先后相繼問世。

到今天，全世界已經約有50余種這樣的流動與傳熱計算的商業軟件。一般來講，商業CFD軟件有以下幾個特征：

• 軟件中包含大量算例并有足夠文件系統幫助用戶熟悉、操作該軟件；

• 軟件有靈活的前處理及完善的后處理系統；

• 軟件有方便的模塊接口及完備的錯誤防止措施；

• 軟件中盡可能采用公認先進的數值方法，并采用公認可靠的試驗數據驗證。

商業CFD軟件的上述特征使得其在世界范圍內迅速得到廣泛地應用，尤其是CFD軟件的二次開發功能可以使得廠家在原有軟件功能基礎上開發出更加適合自己生產需要的功能。通常CFD計算會分為如下幾個步驟：

• 模型簡化及網格化分

• 設置邊界條件及求解

• 后處理

在模型簡化階段，重點是了解CFD計算的目的及客戶所想達到的預期。這個階段要和客戶進行詳盡的溝通，了解客戶真正關心所在。同樣一個模型，根據客戶關心側重點不同，模型簡化方法可能差別很大，從而會影響到整個CFD計算速度和成本。對于那些會影響到客戶關心的結構，要盡可能保留細節，盡量做到和實際情況一致。而對那些客戶不關心的區域，則可以做些大的簡化以達到減少網格數量，提高計算效率的目的。

 

設計思路

如上所言，CFD作為理論分析和實驗研究之外的一個重要工具，在當今產品設計中發揮著越來越重要的作用。很多公司都引入了各種商業軟件來幫助改進自己的產品性能，將CFD的功能發揮到了最大化。

透平壓縮機和鼓風機的新產品開發過程中，關鍵技術之一就是基本壓縮級的設計。開發一個新產品，首先要設計出與之相對應的基本模型級，其中包括葉輪，擴壓器，回流器，渦殼等的設計。

在正式應用到實際產品之前，有必要對基本級的實際性能進行考核，即通過試驗來確認基本級的實際性能。如果試驗結果失敗，則要重新進行設計，直到設計出的模型級試驗成功。該過程如下圖所示。

其中試驗驗證過程對廠家來講即費時間又要花費大量的人力、物力，是模型級設計過程中比較關鍵的步驟。

為了將這個過程的花費降至最低，我們可以首先用先進的商業CFD軟件進行基本級的性能預測和流動元件的設計分析，包括流動分析和應力分析，在完成所有的基本級的設計之后，再使用三維粘性CFD軟件對設計出的模型級進行數值模擬，分析其性能曲線及性能參數，并將其與設計參數進行比較，如果數值模擬結果與設計結果符合良好，表明該模型級初步滿足設計需要；否則對模型級進行重新修改。

只有當設計參數與數值模擬參數比較一致時，再對模型級進行試驗做進一步的驗證。并根據試驗結果，對該系列中的其它基本級進行修正，得到一個實用的、可靠的模型基本級。這樣不僅可以使新開發的基本級得到可靠的性能，也會省下一筆費用，并縮短開發周期。如果再配以全三維粘性分析軟件對設計出的模型級進行三維分析，并將分析結果與設計結果進行比較，從而通過分析結果來進一步修正模型級的設計。

CFD軟件的應用

模型級設計

下文模型級設計采用NREC系列軟件，它是NREC公司生產的用于透平機械設計分析和加工用軟件，其中用于產品設計的軟件模塊有PREDIG和COMIG。PREDIG是用來進行氣動性能預測的；COMIG是用于葉片詳細設計的程序，又可以分為葉片造型SPECIG、流場分析BANIG兩個子模塊。

NREC系列軟件采用S1/S2流面迭帶的勢流分析方法，葉片設計時給定葉片表面的載荷分布類型及氣流角分布等參數，然后沿軟件流程進行即可以初步設計出葉片子午流道及S1平均流面。葉片造型中最難于確定的就是每條葉片線元的空間位置，實際上這也就是在確定葉片的空間扭曲程度。葉片的邊界和運行條件參數均可以直接由性能預測當中的結果直接讀取過來。線元的多少，線元的位置就由設計者來構造了。只要幾何造型滿足收斂條件，均可以得到你所構造出的三元葉片，程序自動生成流場分析所需的葉輪幾何數據，并且可以直觀地觀察到葉片的三維實體模型。圖2為使用NREC軟件成功設計的一個典型半開式葉輪，其給定的設計條件如下：

對于設計出的葉片，接下來可以進行性能預測。流場分析的計算結果受葉片節點矩陣均勻程度的影響，如果節點矩陣非均勻程度大，往往出現致命的錯誤信息，程序終止執行，得不到流場分析的結果。所以在進行流場分析的時候，S1流面的間距和S2流面的間距盡可能接近，意即形成一個均勻的空間流場網格單元。如果流場分析的結果不符合氣動參數分布準則，則是葉片設計不合理，必須重新進行葉片SPECIG的設計，直到BANIG計算結果合理，這樣在SPECIG和BANIG這兩個模塊間構成了一個設計循環。

而使用PREDIG模塊對設計出的葉輪做性能預測時，只需要給出葉輪的進出口邊界的幾何尺寸，進出口角，以及葉片的負載形式，并未考慮葉輪內流場分布的詳細情況，所以在做產品設計時，不能孤立地應用PREDIG和COMIG，要將兩者有效的結合起來，根據流場的實際分布結果調整損失系數和滑移系數。如果有的設計無法得到理想的流場分布結果，在做性能預測的時候，葉片負載損失系數應該相應的加大。否則，性能分析的結果將會有較大的偏差。PREDIG和COMIG這兩個程序由于能夠完成各種流動元件組合情況的壓縮機基本級的性能預測和設計，適用的范圍很寬，因此目前世界上很多壓縮機制造廠家均選用NREC的設計和加工程序，由于NREC公司有效地將當今壓縮機設計思想和計算機應用技術結合在一起，因而代表了當今世界透平壓縮機領域內的水準。

流場分析

在使用NREC軟件設計出葉輪后，就可以使用CFD軟件對設計出的模型級進行三維粘性數值分析，并將數值模擬結果與設計值進行比較。這里使用的商業CFD軟件采用求解時均N－S方程，對旋轉葉輪機械內部定常、非定常，可壓縮、不可壓縮紊流流動進行高精度的數值分析。其三元粘性流場的數值模擬技術為設計者提供了快捷、可靠的分析工具，對模型級開發具有重要的意義。

在網格自動生成模塊，通過設置模型級流動方向、翼展方向、跨葉片方向的網格數，調整與生成網格質量有關的參數，即可生成單個通道的網格。圖3給出了某模型級網格，其中模型級中的半開式葉輪及葉片擴壓器均由NREC軟件設計完成。該模型級中葉輪在流動方向、翼展方向、跨葉片方向分別取值163、41、49，網格數目約為35萬左右；葉片擴壓器在流動方向、翼展方向、跨葉片方向則分別取值131、41、33，網格數約18萬左右，模型級網格數目共53萬。

網格生成后，我們就可以進行模型級的三維粘性流場數值模擬，分析模型級的性能曲線及流道內速度、壓力場等的分布，并將結果與設計值進行比較。一般來講，CFD計算收斂的準則如下：

• 殘差小于-6的數量級；

• 模型級進出口質量流量誤差小于0.1%

當滿足上述兩個條件時，我們可以認為該模型級內部三維粘性流場數值模擬計算迭帶收斂。計算時采用隱式殘差平均法和三層完全多重網格技術以節省計算時間與迭代次數。

計算完成后，將數值模擬出的模型級性能曲線和設計曲線進行對比比較，分析其差別。如果差別滿足工程實際需要，模型級大體設計即可完成。如果差別較大，則要返回模型級軟件的設計模塊，根據三維粘性流場計算結果及流道內部流動分布規律來重新指導模型級的再設計。如此反復迭帶，直到設計出的模型級經過性能預測及三維粘性流場分析均滿足設計要求，此時可認為模型級設計完成。圖4給出的是該模型級設計性能曲線及CFD數值模擬性能曲線比較圖。從圖中我們可以看出數值模擬的性能曲線與設計的性能曲線基本一致，最大誤差小于2%，可以滿足工程實際需要。圖5則給出了CFD模擬的一壓縮機模型級級內速度場示意圖，我們可以根據模擬的結果來分析模型級中流場不好或者惡化的地方，再針對性地對其進行優化，從而提高模型級的性能。

 

結論

本文根據作者的部分實際經驗介紹了產品設計及CFD商業軟件在模型級設計中的應用，為實際模型級的設計提供了一條新的途徑。日前,CFD研究的主要問題是計算程序的穩定性,分析真實流體的復雜流動狀況的能力和復雜幾何形狀周圍流動狀況的能力以及計算誤差和解的分辨率等。在離心葉輪機械領域,CFD正成為預測壓縮機性能及了解葉輪機械內部三維復雜粘性流場的有力工具。它正逐漸被應用于壓縮機模型級的設計開發中。此外，由于模型級試驗中取得整個流場任意一點處的流動狀況非常難,在某些情況下,當CFD求解精度足夠時,CFD數值模擬可以提供整個計算域上的流場結構特征的詳細信息。只要應用適當,CFD能夠顯著地減少模型級試驗次數、設計成本,縮短開發周期。由于目前所分析葉輪機械的細節部位越來越復雜以及所需要求解的問題本身的復雜程度高,CFD軟件對網格要求、算法精度等都提出了比較高的挑戰。但隨著計算機硬件技術和計算流體軟件技術的發展,CFD必將會滿足日益增長的空氣動力學設計的需要。

作者相信，本文中提到的方法可以有效開發模型級，進行模型級三維流場數值模擬，評估三維流場特性，優化設計流體機械部件，最大限度地糾正研發中的偏差，縮短研發周期，提高研發模型級的成功率，降低模型級設計中開發成本。

參考文獻

[1]陶文銓，數值傳熱學，西安交通大學出版社，1988

[2]陶文銓，計算傳熱學的近代進展，科學出版社，北京，2001

文章來源：南京安世亞太