NUMECA使用準(zhǔn)則V1.0

1、北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街9號(hào)1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁(yè)碼：10/11No： /11I尤邁克（北京）流體工程技術(shù)有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.NUMECA使用準(zhǔn)則V1.0尤邁克（北京）流體工程技術(shù)有限公司編寫(xiě)2008年3月KIJiIKbI尤邁克（北京）流體工程技術(shù)有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.TOC o 1-5 h z HYPER

2、LINK l bookmark6計(jì)算域的設(shè)定及幾何一致性3 HYPERLINK l bookmark8網(wǎng)格質(zhì)量相關(guān)性4 HYPERLINK l bookmark10邊界條件設(shè)置5 HYPERLINK l bookmark12收斂判別標(biāo)準(zhǔn)5 HYPERLINK l bookmark14流場(chǎng)特征分析基礎(chǔ)6 HYPERLINK l bookmark18文件夾管理標(biāo)準(zhǔn)化8 HYPERLINK l bookmark20附：4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算和檢查文件8附錄1：文件管理布局9附錄2：葉片網(wǎng)格生成流程圖1011附錄3：計(jì)算設(shè)置檢查流程圖尤邁克（北京）流體工程技術(shù)有限公司NUMECA-BEIJINGluidEng

3、ineeringCo.Ltd.北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街9號(hào)1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁(yè)碼：3/11No： /11.計(jì)算域的設(shè)定及幾何一致性為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信度，幾何一致性就顯得至關(guān)重要。在準(zhǔn)備幾何數(shù)據(jù)，提取幾何完成之后，在IGG中測(cè)量檢查葉輪幾何文件（*.geomturbo和蝸殼幾何文件（*.小8七）尺寸與原始二維/三維AD圖紙相一致，下一步的網(wǎng)格劃分就是對(duì)現(xiàn)有幾何空間的離散化以，此來(lái)控制數(shù)值模擬誤差的幾何誤差部

4、分。一般地，幾何數(shù)據(jù)可通過(guò)三種途徑獲得：CAD文件、數(shù)據(jù)文件或加工圖紙、如果是CAD文件，則要在CAD軟件中僅選中與流動(dòng)部分（如葉片，流道內(nèi)側(cè)的幾何、蝸殼內(nèi)側(cè)的幾何等）相關(guān)的幾何線(xiàn)或面，輸出為UMECA軟件可辯認(rèn)的格式（如IGES、arasolidCatia等格式）。當(dāng)把這些文件輸入到IGG或IGG/Autogrid中時(shí)，首先要查對(duì)是否有線(xiàn)或面遺漏。在確認(rèn)都正確的前提下，再開(kāi)始制做網(wǎng)格。如果是加工圖紙或數(shù)據(jù)文件，就要通過(guò)IGG（如果幾何比較簡(jiǎn)單）或任意CAD軟件把加工圖紙轉(zhuǎn)換成CAD文件，再重復(fù)上面的工作。如果只做葉片流道部分的數(shù)值模擬，那么加工圖紙或數(shù)據(jù)文件給出的只是葉型和子午流道的幾何，這

5、樣就可把加工圖紙轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件，并寫(xiě)成IGG可辯認(rèn)的格式，直接讀入到IGG/Autogrid中。讀入以后，也要先認(rèn)真檢查葉片和流道的幾何是否正確，特別是葉片的安裝角是否正確，葉輪轉(zhuǎn)向是否正確，葉輪進(jìn)口為Z軸正方向等。還要注意葉片在軸向的安裝位置是否正確。葉片排之間的周向位置盡量重合，對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有任何影響，但方便在后處理中對(duì)流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。如果幾何數(shù)據(jù)點(diǎn)比較少，需要在幾何曲率較大的區(qū)域增加若干控制點(diǎn)，以保證曲線(xiàn)或曲面的連續(xù)光滑。有時(shí)設(shè)計(jì)給出的數(shù)據(jù)在葉片前后緣沒(méi)有導(dǎo)圓，那么在制做網(wǎng)格以前首先要在IGG或CAD軟件中進(jìn)行導(dǎo)圓。在導(dǎo)圓時(shí)要按照設(shè)計(jì)的要求，或者保證弦長(zhǎng)、或者保證前后緣的安裝位置。

6、為了實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)得到的性能結(jié)果的可對(duì)比性，計(jì)算域的選取是至為關(guān)鍵的。如果要與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，建議選擇與實(shí)驗(yàn)段相對(duì)應(yīng)的計(jì)算域。在設(shè)置計(jì)算邊界條件時(shí)，特別是入口條件時(shí)，要考慮計(jì)算與前部的流動(dòng)歷程，如速度、氣尤邁克（北京）流體工程技術(shù)有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街9號(hào)1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁(yè)碼：3/11No： /11流方同、以及總壓等的分布。特別地，對(duì)于壓氣

7、機(jī)部分，進(jìn)口條件比較好?。喝绻?jì)算域設(shè)置在壓氣機(jī)的入口，就直接按照均勻的大氣條件給定總溫，總壓和軸向進(jìn)氣條件；如果計(jì)算域的入口設(shè)在葉輪前緣不遠(yuǎn)的上游，那么在設(shè)置總壓和氣流方向時(shí)最好要考慮內(nèi)外環(huán)壁邊界層的影響，比如可按照指數(shù)率給出其分布，邊界層厚度可去110mm（與入口面的軸向位置有關(guān)，越靠近葉片前緣，厚度越大）。對(duì)于氣流方向，可按照內(nèi)外環(huán)壁的曲率給出分布。對(duì)于渦輪，計(jì)算域入口最好的選中進(jìn)氣蝸殼的入口，這里的氣流均勻，總壓、總溫和氣流方向均容易確定。但有時(shí)或者由于計(jì)算資源的限制、或者關(guān)心的重點(diǎn)是葉輪部分，需要把入口邊界設(shè)置在葉輪的上游，這時(shí)邊界條件就比較難以準(zhǔn)確的給出。近似的辦法是：可按照蝸殼或

8、導(dǎo)葉出口的條件（特別是氣流角）來(lái)給出。這時(shí)在分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，要考慮由于入口邊界條件所可能帶來(lái)的誤差。對(duì)于計(jì)算域出口和轉(zhuǎn)靜子面，這個(gè)位置盡量放置在流場(chǎng)已充分摻混均勻的位置，但要確信在出口處流動(dòng)不會(huì)發(fā)生大尺度的回流。如果可能有回流發(fā)生，就要把出口的位置適當(dāng)?shù)叵蛳掠窝由臁＠纾簤簹鈾C(jī)的轉(zhuǎn)靜子面設(shè)置在無(wú)葉擴(kuò)壓器的中段（葉輪尾緣與蝸殼進(jìn)口的中點(diǎn)）為了葉輪出口射流尾跡區(qū)的充分摻混，渦輪的出口位置距離葉片尾緣至少1.5倍葉高的尺寸。在FINE/Turbo軟件中，宏觀物理量采用的是質(zhì)量平均的數(shù)據(jù)處理方式，在一些實(shí)驗(yàn)中采用面積平均的數(shù)據(jù)處理方式，避免數(shù)據(jù)處理的不同方式來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的錯(cuò)誤對(duì)比。網(wǎng)格質(zhì)量

9、相關(guān)性CFD數(shù)值模擬的可信度主要取決于求解器的精度的數(shù)值精度（如離散格式和計(jì)算方法）。在給定求解器的條件下，其計(jì)算精度和收斂速度在很大程度上依賴(lài)于網(wǎng)格的質(zhì)量。所以，可以說(shuō)網(wǎng)格質(zhì)量很大程度上決定著求解器的數(shù)值誤差部分。具體準(zhǔn)則如下：2.1網(wǎng)格不能存在負(fù)網(wǎng)格，否則計(jì)算無(wú)法進(jìn)行。2.2原則上，最小正交性角度越接近90越好；最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比越接近1越好；最大網(wǎng)格延展比越接近1越好。但由于邊界層、激波和尾跡等的存在，以及幾何的復(fù)雜性，實(shí)際上很難得到三者兼得的網(wǎng)格質(zhì)量，所以一般推薦：jFkijfk最小網(wǎng)格正交性角度10最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比5000最大網(wǎng)格延展比102.3應(yīng)當(dāng)盡可能地提高網(wǎng)格質(zhì)量，以避免不必要的數(shù)值

10、誤差。2.4對(duì)于網(wǎng)格正交性而言，在某些算例中，可能甚至?xí)霈F(xiàn)角度小于1的情況。但一般而言，只要不存在負(fù)網(wǎng)格，計(jì)算就可以進(jìn)行。但收斂速度會(huì)放慢，收斂曲線(xiàn)會(huì)劇烈振蕩，CFL數(shù)不能太大（小于2）。如果這時(shí)整體性能收斂很好,那么由網(wǎng)格引起的誤差只是局部性的，因此計(jì)算結(jié)果可以接收。2.5.對(duì)于延展比，不僅要考慮計(jì)算區(qū)塊內(nèi)部的網(wǎng)格分布，也要考慮塊與塊直接連接處的延展比。2.6導(dǎo)入原始幾何文件，檢查網(wǎng)格邊界是否與原始幾何完全重合，再次保證計(jì)算域的正確性。邊界條件設(shè)置當(dāng)計(jì)算軟件和網(wǎng)格確定以后，計(jì)算結(jié)果將緊密地與邊界條件相關(guān)。因此，邊界條件一定要按照物理的實(shí)際來(lái)給定。對(duì)于進(jìn)出口條件，在第一節(jié)“計(jì)算域的設(shè)定及幾何

11、一致性”中已經(jīng)做了部分說(shuō)明。對(duì)于進(jìn)口處的具體數(shù)值（總壓、總溫和氣流角），要按照實(shí)際實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)給出。在給定出口邊界條件時(shí)（壓力條件或流量條件），一定要牢記：任何旋轉(zhuǎn)機(jī)械均是在一定的工作范圍內(nèi)（如流量范圍）運(yùn)行的，因此給定的值不能超出這個(gè)范圍。一般地對(duì)于壓縮機(jī)，建議先從堵塞流量點(diǎn)附近算起，然后再逐漸減少流量或提高背壓。固壁邊界條件：對(duì)于不可壓流體的效率計(jì)算，需要輸出扭矩和軸向力的計(jì)算結(jié)果時(shí)，應(yīng)采用區(qū)域定義轉(zhuǎn)速方式，并設(shè)置TORR專(zhuān)家參數(shù)為1.收斂判別標(biāo)準(zhǔn)殘差是迭代過(guò)程中各個(gè)基本方程（連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程和湍流量輸運(yùn)方程等）是否趨于穩(wěn)定（收斂）的重要評(píng)估參數(shù)。計(jì)算域內(nèi)的最大殘差或者RSM

12、殘差的大小直接反應(yīng)了收斂精度。一般地將，殘差越小越好。由于存在數(shù)值精度問(wèn)題，不可能得到理想的0殘差，對(duì)于單精度計(jì)算的機(jī)器，殘差一般應(yīng)該低于1e-06以下為好，這時(shí)的計(jì)算可以認(rèn)為是完全收斂。只有在完全收斂的條件下才可相信計(jì)算所獲得的結(jié)果。但對(duì)于流動(dòng)分離嚴(yán)重的計(jì)算條件或工況（如小流量工況區(qū)、或者較差的網(wǎng)格質(zhì)量等情況還是要具體問(wèn)題具體分析。4.1全局殘差：建議全局殘差下降六個(gè)量級(jí)以上。但如果實(shí)際流動(dòng)中存在大范圍的分離、或低的網(wǎng)格質(zhì)量等，殘差降到三個(gè)量?jī)r(jià)一下也可認(rèn)為收斂，滿(mǎn)足工程精度。4.2各塊中殘差：由于各塊中網(wǎng)格質(zhì)量以及流動(dòng)特性的不同，每一塊中的殘差下降幅度也會(huì)不同。但仍然推薦計(jì)算中,每一塊中的殘

13、差下降五個(gè)量級(jí)以上如果某個(gè)塊區(qū)的流動(dòng)復(fù)雜，殘差在三個(gè)量?jī)r(jià)以下不再下降，也可認(rèn)為收斂了4.3總體性能（進(jìn)出口流量、壓比、效率、功率、扭矩和升力等）：收斂準(zhǔn)則中最重要的一個(gè)參數(shù)。一般地講，這些總體特性參數(shù)要比計(jì)算殘差容易收斂。這些量的收斂表面總體特性已經(jīng)穩(wěn)定，殘差收斂表面流動(dòng)細(xì)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定。建議進(jìn)出口流量相對(duì)誤差小于0.5%，且流量不再發(fā)生變化。對(duì)于有大分離渦的流動(dòng)（尤其在進(jìn)出口處），流量收斂曲線(xiàn)會(huì)發(fā)生振蕩，此時(shí)由于迭代中分離渦的位置和強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生不同程度的變化，呈現(xiàn)非定常特性，因此流量也會(huì)隨之發(fā)生變化（但這種變化近似為周期性）。在這種情況下，也可認(rèn)為計(jì)算收斂，或曰：振蕩收斂。在有些情況下，效率的收

14、斂要慢一些，因?yàn)樾手苯优c流動(dòng)損失即流動(dòng)細(xì)節(jié)相關(guān)，如果要進(jìn)行效率的京西比較，就要在其它總體性能和殘差都收斂后在都計(jì)算若干步，實(shí)現(xiàn)效率曲線(xiàn)的收斂。4.4流場(chǎng)當(dāng)?shù)刂担河?jì)算迭代收斂時(shí)，流場(chǎng)每一點(diǎn)處的參數(shù)值不應(yīng)當(dāng)再發(fā)生變化，或者對(duì)于有分離渦的情況，渦內(nèi)某一點(diǎn)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)為周期性變化。用戶(hù)可以在FINE介面中跟蹤某一特性點(diǎn)的參數(shù)，并觀察其變化參數(shù)。4.5總體參數(shù)：對(duì)于定常計(jì)算,所有的總體性能（效率、扭矩、推力等）都應(yīng)當(dāng)變?yōu)楹愣ㄖ?，不再隨迭代步數(shù)而發(fā)生變化。對(duì)于有大分離的情況，這些參數(shù)則會(huì)呈現(xiàn)周期性變化。這兩種情況下都可認(rèn)為計(jì)算收斂。對(duì)于非定常計(jì)算，所有的參數(shù)都應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)近似周期性變化。流場(chǎng)特征分析基礎(chǔ)在保證

15、計(jì)算域設(shè)定、幾何一致性、網(wǎng)格質(zhì)量、邊界條件正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)行CFD求解過(guò)程。在判別達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)后，開(kāi)始進(jìn)行CFD后處理工作。我們不但要得到產(chǎn)品的宏觀性能，而且要從流場(chǎng)特征中分析判斷其產(chǎn)生原因和對(duì)流動(dòng)的影響，以提供產(chǎn)品優(yōu)化改型的依據(jù)。流場(chǎng)的分析包括S1流面（葉片到葉片截面）尤邁克（北京）流體工程技術(shù)有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街9號(hào)1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page

16、頁(yè)碼：3/11No： /11分析，可通過(guò)CFView截取不同葉高的截面，常常關(guān)心的截面有中葉高截面和靠近內(nèi)環(huán)壁（hub,如10%葉高）和靠近外環(huán)壁（shroud,如90%葉高）；S2截面分析，包括流道中央截面和靠近葉片吸力面和壓力面的截面；固體壁面分析，包括內(nèi)外環(huán)壁面和葉片表面；周向平均分析；以及笛卡爾圖分析等。在這些面上可以分析等值線(xiàn)（或云圖），或流線(xiàn)，或速度矢量圖。下面以幾個(gè)例子予以說(shuō)明：1從某葉高截面（S1面）的相對(duì)速度（相對(duì)馬赫數(shù)）或相對(duì)總壓云圖上分析葉片到葉片的流動(dòng)1）設(shè)計(jì)流量下的相對(duì)速度矢量圖，如圖1所示。從葉片前緣前方的流線(xiàn)或速度矢量可定性地看出氣流沖角，或來(lái)流與葉片中弧線(xiàn)在前緣

17、處切線(xiàn)（或進(jìn)口幾何角）的夾角。圖中所示的沖角近似為0度。如果要知道準(zhǔn)確的角度值，可通過(guò)在這個(gè)截面上做氣流角的云圖獲得。2）葉片表面的邊界層流動(dòng)情況（包括邊界層的厚度，是否發(fā)生邊界層分離，這些都與翼型損失有關(guān)），可通過(guò)S1面的相對(duì)速度、或相對(duì)馬赫數(shù)、或熵等的云圖觀察。如圖2和3所示。圖2中的低馬赫數(shù)區(qū)域和圖3中的高熵值區(qū)域均對(duì)應(yīng)著局部邊界層損失大。2子午平均的參數(shù)分布。這顯示了流道內(nèi)周向質(zhì)量平均量的變化規(guī)律。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，也非常重要。例如圖4和圖5分布給出了壓氣機(jī)子午平均相對(duì)速度矢量圖和速度流線(xiàn)和熵增云圖。由圖4中的流線(xiàn)或速度矢量可以看出，流道在外環(huán)壁附近的低速區(qū)和葉輪出口區(qū)域發(fā)生了角大區(qū)域的

18、回流，由此將會(huì)產(chǎn)生能量損失，對(duì)應(yīng)于圖5中的高熵值區(qū)。3葉片的載荷分布也是工程師們常常關(guān)心的。這可通過(guò)葉片吸力面和壓力面的靜壓云圖或笛卡爾圖來(lái)觀察，如圖6、7和8所示。圖8中上下兩條線(xiàn)間的差值就是載荷，因此由該圖可以看出葉片載荷沿流向的變化。由于葉頂間隙流動(dòng)和間隙渦（對(duì)于開(kāi)式葉輪）直接與載荷有關(guān)，因此由該圖還可間接反映間隙泄漏流和強(qiáng)弱程度。另外，有圖6和7中的等值線(xiàn)還可以看出沿流向的壓力梯度變化和流道內(nèi)的增壓過(guò)程。4.蝸殼或管道的流場(chǎng)特征以下圖9和10分別是進(jìn)氣管及蝸殼內(nèi)的總壓損失分布和排氣管內(nèi)的總壓損失分布。北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街9號(hào)1306房間,郵編：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page頁(yè)碼：10/11No： /11尤邁克（北京）流體工程技術(shù)有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.Wl/MECAKIJTK文件夾管理標(biāo)準(zhǔn)化在長(zhǎng)期CFD工程計(jì)算文件管理中，建立一個(gè)清晰的文件夾目錄是建立產(chǎn)品CFD性能