單周期軸流壓氣機(jī)模擬的案例
[案例分析]STARCCM+入門(mén)系列之——單周期軸流壓氣機(jī)
1、問(wèn)題描述
本教程介紹如何在STAR-CCM+ 中對(duì)軸流壓氣機(jī)葉片進(jìn)行模擬，并說(shuō)明為單葉片排生成網(wǎng)格的過(guò)程。
2、STAR-CCM+設(shè)置
（1）
菜單欄選擇Mesh > Import Turbo Blades，生成如下的界面：
（2）將葉片排數(shù)葉片排數(shù)設(shè)置為1，將選擇當(dāng)前葉片排選擇當(dāng)前葉片排設(shè)置為 1。激活當(dāng)前葉片排正在旋轉(zhuǎn)當(dāng)前葉片排正在旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)速度更改為17,200 rpm。激活輪轂表面正在旋轉(zhuǎn)輪轂表面正在旋轉(zhuǎn)，將選擇流軸設(shè)置為+Z。
（3）導(dǎo)入渦輪向?qū)缀挝募x項(xiàng)對(duì)話框中有六個(gè)選項(xiàng)卡。幾何、網(wǎng)格化、流道、方格設(shè)置、邊界條件/湍流和初始條件選項(xiàng)卡用于為導(dǎo)入的葉片幾何指定所需的文件和參數(shù)。幾何界面的設(shè)置如下：
（4）將網(wǎng)格生成方法網(wǎng)格生成方法設(shè)置為使用橢圓網(wǎng)格生成器構(gòu)建使用橢圓網(wǎng)格生成器構(gòu)建3D 體網(wǎng)格體網(wǎng)格。
（5）流道設(shè)置方法如下：
（6）網(wǎng)格設(shè)置方法如下圖：
（7）采用默認(rèn)湍流模型，保留滯止進(jìn)口子選項(xiàng)卡中的默認(rèn)設(shè)置。在壓力出口子選項(xiàng)卡中，將恒定靜態(tài)壓力恒定靜態(tài)壓力值更改為5000 Pa，保留其他參數(shù)的默認(rèn)值。在初始條件選項(xiàng)卡，將初始速度初始速度Z 值更改為 150 m/s，保留其他參數(shù)的默認(rèn)值。
展開(kāi) 三維單級(jí)軸流壓氣機(jī)
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說(shuō)明
本案例模擬了單級(jí)軸流壓氣機(jī)。轉(zhuǎn)子葉片的流動(dòng)是在旋轉(zhuǎn)參考框架中計(jì)算的，而定子葉片的流動(dòng)在靜止框架中計(jì)算。這種情況的目的是驗(yàn)證基于壓力的耦合求解器的可壓縮渦輪機(jī)械問(wèn)題與混合平面的性能。流動(dòng)是可壓縮的、湍流的和穩(wěn)定的。
計(jì)算域：轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量為16，定子葉片數(shù)量為40
物質(zhì)屬性：物質(zhì)密度為理想氣體，摩爾數(shù)為28.966，粘度為Sutherland’s law，比熱為1006.43J/kg-K
邊界條件：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速37,500rpm，入口壓力為 1 atm，溫度為288 K
網(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為76800
計(jì)算設(shè)置
本次計(jì)算為穩(wěn)定的、湍流的、可壓縮的，基于壓力的耦合解算器流動(dòng)。
展開(kāi) 某型單級(jí)軸流壓氣機(jī)性能仿真與試驗(yàn)案例
針對(duì)某型單級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行CFD仿真計(jì)算和多次試驗(yàn)測(cè)量，得到仿真結(jié)果和一系列上下波動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用戶面臨如下問(wèn)題：
仿真模型求解精度驗(yàn)證（Verification）
采用Star ccm+軟件對(duì)壓氣機(jī)性能進(jìn)行初始仿真計(jì)算：
調(diào)用物理模型精度分析模塊對(duì)K-Omega、K-Epsilon、S-A三種湍流模型精度進(jìn)行評(píng)估（以增壓比π為例），發(fā)現(xiàn)K-Omega模型精度最高，選擇該模型：
調(diào)用離散誤差精度評(píng)估模塊對(duì)三套葉片網(wǎng)格1、2、3（特征尺寸比為1：1.5：2.25），計(jì)算得Mesh2網(wǎng)格離散誤差精度為±0.026，符合要求選取Mesh2：
調(diào)用計(jì)算收斂誤差精度分析模塊對(duì)上述仿真結(jié)果殘差曲線進(jìn)行評(píng)估，得到其精度為±0.00007，符合要求：
綜合上述結(jié)果可得合成后的仿真模型求解精度為±0.0266
UQ不確定性量化分析
調(diào)用SimV&Ver的UQ不確定性量化分析模塊，對(duì)4個(gè)輸入?yún)?shù)（轉(zhuǎn)速、級(jí)進(jìn)口總壓、進(jìn)出口背壓、進(jìn)口氣流角）不確定性導(dǎo)致的響應(yīng)量（增壓比π）變化結(jié)果進(jìn)行分析，得其上下限為±0.08：
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可對(duì)各輸入?yún)?shù)對(duì)響應(yīng)量的敏感度系數(shù)進(jìn)行分析：
仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與誤差分析（Validation）
調(diào)用仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與誤差分析模塊，對(duì)CFD仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差進(jìn)行對(duì)比分析；
根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得增壓比累積分布曲線，可得該級(jí)壓氣機(jī)壓比不低于1.57的概率為95%，符合設(shè)計(jì)要求；
試驗(yàn)與仿真結(jié)果的葉片表面靜壓分布（15個(gè)測(cè)點(diǎn)）曲線的確認(rèn)指標(biāo)（Validation Metrics）
展開(kāi) 軸流壓氣機(jī)葉頂噴氣穩(wěn)定性控制研究 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所李繼超
軸流壓氣機(jī)葉頂噴氣穩(wěn)定性控制研究 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所李繼超
ANSYS壓氣機(jī)輪 盤(pán)結(jié)構(gòu)（周期對(duì)稱(chēng)）分析-附命令流
一、問(wèn)題描述
某型壓氣機(jī)輪 盤(pán)如圖1所示，其截面如圖2所示。盤(pán)上6個(gè)均壓孔均布。將葉片引起的離心效果均勻施加于輪、盤(pán)邊緣。
圖1 帶有均壓孔的壓氣機(jī)輪 盤(pán)
圖2 壓氣機(jī)盤(pán)截面
圖中所標(biāo)各點(diǎn)坐標(biāo)如表所示。
展開(kāi) Fidelity Turbo（原Numeca）氣動(dòng)性能模擬（壓氣機(jī)專(zhuān)題）免費(fèi)線下培訓(xùn)·上海
支持的組件種類(lèi)多樣，從多級(jí)軸向到徑向，再到混流結(jié)構(gòu)：壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵、風(fēng)扇、螺旋槳。本次培訓(xùn)以壓氣機(jī)為案例，介紹Fidelity CFD葉輪機(jī)械模塊的仿真流程。包含典型工程案例、軟件練習(xí)等，歡迎報(bào)名參加！
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