NUMECA帮助文档六.docx

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NUMECA帮助文档六

第十二章跨叶片截面模块

12.1绪言

本章针对透平机械讲述快速三维跨叶片截面模块的分析过程。

这个模块是全自动完成的并且利用一些NUMECA工具。

此外，附加模块FINE™/Design2D这些工具联系起来，可以进行叶片重新设计，改善叶片表面压力分布，关于这些详见第13章。

这个模块假设流动是轴对称的，并且流面形状和厚度也由用户提供或由参数自动生成（利用根部和顶部边界）。

几何输入数据必须由用户提供：

1、流面及叶片这个流面上的截面或

2、完整的叶片轮廓及端壁

本模块由网格自动生成与NS湍流方程组成。

在下一节讲述这个跨叶片截面模块的界面及对用户的建议。

12-4节讲述自动生成网格的理论和求解方程。

12-5节讲述几何数据和输出结果。

12-6讲述实例。

12-2跨叶片截面模块的界面

在FINE™/Design2D界面之下运行跨叶片截面模块，这些可以高速，简单，交互式求解。

所有参数可以在用户界面中选取，并自动创建输入文件及求解。

监视工具，MonitorTurbo,可以在计算中和计算后检查收敛情况及结果。

它可以实时查看叶片表面压力分布的收敛过程及叶片几何形状。

结果分析利用NUMECACFViwe™后处理工具进行，自动进入跨叶片截面模式。

几何数据以ASCII输入文件列出，但是求解参数定义及边界条件在这个界面中列出。

这个截面的描述由FINE™/Design2D界面中的菜单创建。

更详细的说明见12-5.

12.2.1开始新的或打开现存S1面计算

在开始界面下，ProjectSelection窗口允许创建新工程或打开现存工程。

对于创建新的跨叶片截面工程，按如下操作：

1、单击按扭CreateaNewProject

2、选取工程保存路径及输入文件名

3、关闭GridFileSelection窗口，Design2D不需要输入网格文件

4、进入S1流面模块，菜单Modules/Design2D

如果要打开现存工程，在ProjectSelection窗口中单击OpenanExistingProject按扭，并在Filechooser窗口中选取一个文件。

最近使用过的文件在最近工程列表中列出。

如果所选取的文件是以Design2D模式保存的，则FINE™界面自动转到这个相应的模块，显示界面如图12.2.1-1所示。

FINE™/Design2D界面如同FINE™/Trubo界面一样，包括菜单，工具栏，计算设置与参数区域。

在菜单中同样也有一个Modules项，可以快速转到其它模块。

Design2D模块的图标栏仅包括2D计算内容。

界面左侧的参数列表也是与2D计算一致的。

这一项的大多数内容与FINE™/Turbo工程是相似的。

之间的差别仅在于：

●在FlowModel页：

Design2D模块不能进行非定常计算。

●BoundaryConditions页的说明见12-2.3

●Blade-to-bladedata页的说明见12-2.2

●InitialSolution页的说明见12-2.5

12.2.2跨叶片截面数据

Blade-to-bladedata页（上图左侧倒数第三行展开）出现三个分项：

●叶片几何模型，参阅12.2.2.1

●网格生成参数，

●反问题：

仅需2D设计参数，不需要分析。

详见第13章。

叶片轮廓和子午流面（或端壁边界）是由一些连续的点的坐标构成的ASCII文件输入，详细说明见12-5节

所有的几何数据都有一个相同的长度单位（可以任意选择）。

这个长度单位设置是在Bladegeometry页Bladegeometry项进行选择。

12-2.2.1叶片几何定义

输入数据类型有三种形式可用：

-2D：

仅对轴流适用，且流面为圆柱面（半径为常数）。

这个叶片几何模型是在这个流面上。

-Q3D：

Theaxisymmetricstreamsurfaceisgiven,andthebladegeometryisspecifiedonthegivensurface.

-3D:

这个完全的3D几何模型是由连续的叶片截面组成（最少数2个截面，次序是从根部到顶部）。

a）流面数据

图12.2.2-2显示了输入参数区域。

对不同的输入文件类型需要输入文件：

●2D或Q3D：

流面定义文件

●3D：

端壁文件，两个文件，根部曲线和顶部曲线

输入文件类型为3D则需要附加参数：

●几何分区或用户定义流面Geometricaldivision或streamtubeprovided

●如果是Geometricaldivision：

展向位置为0-1之间

●如果是streamtubeprovided：

输入两个文件（两条直线）

Inbothcasesthemoduleautomaticallycalculatestheintersectionofthe3Dbladewiththeconsideredstreamsurface。

对3D类型，推荐展向边界网格厚度为1%

Ina2D，Q3Dor3Dcasewithstreamtubeprovided,theblockageratiopermitstoscalethestreamtubethicknessdistribution.

无论哪种输入数据类型，都必须设置NBofpointsalongmeridionaltrace.这个值默认为300.

b）叶片几何数据

在BladeGeometry页，依据输入数据类型，叶片几何定义需要如下参数：

●叶片几何数据文件：

-2D或Q3D：

吸力面与压力面文件

-3D：

展向截面数及每个截面的位置，每个截面的压力侧与吸力侧文件

●前缘钝角边：

如果选取，则前缘钝角处理

●尾缘钝角边：

如果选取，则尾缘钝角处理

●分流叶片：

（我对这个没兴趣）

●长度单位：

用户输入数据所采用的单位，为米与所采用单位之比（如果输入的数据单位为毫米，则这个比值为0.001）。

全部几何数据必须采用相同单位，即用户所选取的这个单位。

●叶片数或周向长度：

对2D输入类型，这个值为周向长度，Q3D或3D类型，这一项为输入叶片数。

图12.2.2-3

c）叶片数据编辑

选取Bladedataedition将修改前缘或与尾缘数据。

12-2.2.2网格生成参数

如图12.2.2-5这一项必须由用户修改。

系统默认值对大多数网格是适用的。

可用的网格生成参数有：

●H-orI网格：

用户可选是否包含上游和/或下游网格。

●生成方式：

全自动或半自动

-对全自动模式，用户仅需指定吸力侧网格点数。

其它区域的网格数按光顺需要计算出。

-对半自动模式，用户指定上游或下游的网格倾斜角度，以及每个区域的网格数。

●圆周方向网格数:

这个数最好是8的倍数，这样有四重网格可用。

●周期性边界的类型：

选取直线或曲线。

默认为周期性边界线为曲线。

●在下面的三页中的参数影响了网格的质量和分布

a）clustering

第一个参数clusteringcoefficientinstreamwisedirection输入值范围为从0.0到1.0。

如果值为1.0则网格均匀分布，如果为0.0则所有网格点集中在边缘。

第二项为定义Euler网格生成还是N-S网格生成。

如果选取了N-S网格生成还必须设置以下参数：

●第一层网格单元的尺寸（单位：

米）

●pitchwise方向的网格数

●从叶片边缘到进口或出口的clustering类型，constant或decreasing

b）smoothing

椭圆形光顺可改善网格质量。

用户可选clusteringcontrol与orthoganalltycontrol，并设置光顺次数Numberofsweep.

c）localpre-smoothing

局部光顺用于前/尾缘半径的网格。

12-2.2.3反问题设计菜单

这个菜单为反向设计模块。

当进行流动分析时，这项菜单的内容不需要指定。

对于反问题模块的详细说明见第13章。

12-2.3边界条件

在Boundaryconditions这一页允许定义进出口边界及旋转速度。

这个Rotationalspeed单位必须是RPM（revolutionsperminute每分钟转数，旋转方向的正向与θ定义的正向相同，参看图12.5.1-12）

12-2.3.1进口边界条件

以下为可用的进口边界条件：

●绝对速度方向（弧度）+绝对总量（Pa,K）

●相对速度方向（弧度）+相对总量（Pa,K）

●绝对速度分量Vθ（m/s）+绝对总量（Pa,K）

●相对速度分量Vθ（m/s）+相对总量（Pa,K）

●质量流量（kg/s）+绝对速度方向（弧度）+静温（K）

●质量流量（kg/s）+相对速度方向（弧度）+静温（K）

●质量流量（kg/s）+绝对速度分量Vθ（m/s）+静温（K）

●质量流量（kg/s）+相对速度分量Vθ（m/s）+静温（K）

用户选取其中一种方式设置进口条件。

12-2.3.2出口边界条件

有三种出口边界条件可用：

●出口静压（Pa）

●质量流量（kg/s）（+出口静压用于初始计算）

●超音速出口（出口静压由初始计算）

零阶和一阶外推法可用，同时可用专家模式（默认为零阶）。

设置质量流量为边界条件对于反问题方法则是比较稳定的。

因此在分析过程中也推荐用质量流量作为边界条件。

比较理想的设置是质量流量进口和压力出口，或是进口的总量与出口质量流量。

12-2.4数学模型

通常NumericalModel参数的默认值是适当的。

Intheblade-to-blademoduleitisnotpossibletoperformthecalculationsonacoarsermeshlevelasitisthecasewith3Dprojects.

12-2.5初始求解菜单

需要提供一个初始静压或是InitialSolutionFile用于求解。

如图12.2.2-9

12-2.6输出参数

这个菜单允许选取一些输出量。

这个模块自动创建用于CFView™工程的3D与2D的输出文件。

关于这个菜单命令详见12-5.2.

12-2.7控制变量

在这个ControlVariables页用户需要选择流动分析或反问题设计模式。

如图12.2.2-10.

所有的相关参数见第15章FINE™/Turbo计算。

12-2.8跨叶片截面流动分析

一旦.b2b和.b2b.inp输入文件被正确创建，就可以开始流动分析，在Solver菜单单击Start按扭。

重新开始以前的计算也同样是在Solver菜单按Start按扭，并选取一个初始求解文件。

不能在粗网格中进行计算，重新计算也不可以多重网格设置。

12-3专家参数

在专家模式下ControlVariables页，连续的专家参数可用：

ITERZ：

迭代步数，在这个范围内不进行湍流计算。

通常设为200.

IATERZ:

这个转换与前一次计算有关。

通常设为1（默认值）。

12-4理论

这一节主要讲述网格生成工具和跨叶片截面流动求解。

12-4.1网格生成

这个网格自动生成工具可创建H（周期性）或I（非周期性）形网格，按用户提供的参数。

相反多数quasi-3D方法在轴流面上生成2D网格，这个网格相当于3D网格在展向只有一个单元。

这个求解也主要是采用3D流动求解。

此外

12-4.2求解器

12-5跨叶片截面模块的文件格式

12-5.1输入文件

B2B运行需要三种输入文件：

●几何输入文件，叶片几何定义

●求解输入文件（.run）,求解参数，流体，流动条件定义

●反问题设计输入文件允许定义反问题

这个由用户创建的几何输入文件与AutoGrid输入文件的格式相同。

求解和反问题设计输入文件是由用户在FINE™/Design2D环境中设置参数和流动条件后由程序自动生成的。

在下一节讲述几何输入文件。

12-5.1.1几何输入文件

叶片几何数据和流面（或端壁）是由ASCII文件中连续的点的坐标构成。

三种格式的几何输入文件可用：

●2D类型：

这个设置仅对完全的轴向网格，流面为圆柱（半径为常数）。

Thebladegeometryisthengivenonthecascadeplane（cylinderdevelopedtogeneratethecascade）.

●Q3D类型：

Theaxisymmetricstreamsurfaceisgiven（includingitsthickness）,andthebladegeometryisspecifiedonthegivensurface.

●3D类型：

3D叶片模型由一些叶片截面构成（最少2个，按由根部到顶部的顺序）。

这个根部和顶部端壁也同样是单独列出。

这个流面可由用户指出（轮缘和轮毂），或自动计算得出（几何分区）.在下一步，用户仅需指出展向位置及厚度。

所有的几何数据都应用相同的长度单位（用户所选取的）.

a）StreamsurfaceData:

对2D与Q3D类型，在ASCII文件中必须指定流面和厚度。

对3D类型，由两个文件分别定义根部和顶部端壁。

Streamsurface数据文件构成如下：

第一行：

输入文件标题

第二行：

坐标系统：

ZRB（用于2D与Q3D类型）

ZR，RZ或XYZ（用于3D类型）

第三行：

N数据点的数量

第四行到第3+N行：

点的坐标2或3列（按进口到出口排列）

第4+N行：

行标记（可选）

第5+N行：

Zin,Zout,Rin,Rout,指定网格进出口位置（可选）

（X,Y,Z）为直角坐标（Z为旋转轴方向），R为径向，B为流面厚度

网格的进出口位置按以下方式确定：

●按流面数据（4+N行和5+N行）

●利用FINE™输出参数B2BLIM

b）叶片模型数据

12-5.2输出文件

12-5.2.1几何文件

12-5.2.2变量文件

12-5.2.3数字控制文件

12-6网格验证

12-6.1VKI-LS82叶片

12-6.2ARLSL19亚音速压缩机叶片

第十三章Design2D

13-1绪言

本章描述了FINE™/Design2D模块进行透平反问题设计。

这个模块是与第十二章跨叶处截面相关的，增加了网格生成和流动求解，2D模块包含了叶片重新设计的反问题方法。

这种方法允许按叶片表面压力分布重新设计叶片型线。

使用本方法需要跨叶片截面流动的许可。

FINE™/Design2D单独使用一些NUMECA工具。

NUMECA计划扩充FINE™/Design2D的功能，应用领域和设计方法。

这个第一个版本对于透平叶处的反问题设计有局限，因此综合了跨叶片截面方法在这个界面。

分析和设计这两个模块基于一个假设，即流动是轴对称的。

这个几何输入是必须的，对于反问题设计则不需要分析。

（参看第12章）

关于跨叶片截面方法的更多信息，见第12章。

在下面的章节中介绍了使用反问题设计方法的注意事项。

关于反问题的理论分析见第13-3节。

Design2D模块的几何数据输入和结果输出见第13-4节。

最后在第13-5节以实例验证了这个模块的功能和作用。

13-2反问题设计

这个反问题设计的相关描术见第十二章。

全部的参数都可在界面中选择设置，自动创建文件及分析。

图形控制，MonitorTurbo,可以实时监测收敛过程，如压力沿叶片表面分布，叶片生成，同样也可与压力分布相适应。

这个结果可以被NUMECACFVivew™后处理。

等等

这一节讲述下面三个问题：

●开始一个新的或打开型线工程

●计算及相关设置

●分析跨叶片截面流动

13-2.1开始

这个模块运行首先要启动FINE™界面，然后菜单Modules/Design2D。

启动FINE™后，在ProjectSelection窗口，允许CreateaNewProject或OpenanExistingProject。

创建一个新跨叶片截面工程按如下操作：

1、单击CreateaNewProject按扭

2、选择路径，并输入文件名，确定

3、关闭GridFileSelection窗口，没有网格文件与当前工程关联。

4、转换到Design2D模式，菜单Modules/Design2D

如果要打开一个已存在的Design2D工程，单击按扭OpenanExistingProject在ProjectSelection窗口中，并在FileChooser窗口中选取文件。

如果是最近计算过的工程也可以在最近工程列表中选取。

如果所选工程是在Design2D中保存的，则FINE™界面自动转到这个相应的模式。

Design2D模块界面的介绍见第12章。

这里仅讲述跨叶片截面分析计算，相应的操作选项页面为Inversedesign.下面各部分讲述相关的设置。

13-2.2创建反问题设计的输入文件

反问题设计应该是从初始几何模型的流动分析开始。

当跨叶片截面计算收敛后进行分析，用户可用反问题方法修改叶片。

为这一目的必须准备两个文件”projectname.b2b.req”,”projectname.b2b.par”，这两个文件是在分析过程中添加的。

13-2.2.1输入文件”projectname.b2b.par”

这个文件”projectname.b2b.par”是在FINE™/Design2D界面中Inversedesign页创建的。

如图13.2.2-1

应该选择三个可能的反问题公式中的一个：

●Classicalformulation:

利用压力在叶片周围的分布修改叶片的吸力侧和压力侧曲线。

如果要使用这一公式，则这两条曲线必须是封闭的。

●Mixedformulation:

仅对吸力侧修改，按吸力侧压力分布。

这个方法也同样要求曲线是封闭的，至于压力侧则按吸力侧修改。

●Loadingformulation:

按从前缘到尾缘的加载分布修改叶片的曲率直线。

因为叶片厚度分布是常数？

，所以不要求轮廓线封闭。

这个反问题设计的目标计算可按等熵马赫数或压力系数（pressurecoefficientCp）进行.这个等熵马赫数的计算对于可压缩流动是限制的。

允许控制前缘和尾缘。

这个反问题方法允许保持一些局部不变，如前缘和尾缘区域。

这些固定区域的压力侧和吸力侧的点的数量由用户指定，默认为1。

无论如何，冻结前缘和尾缘区域是被推荐的。

如果初始叶片流场分析中发现了尾缘的流动分离，极力推荐冻结尾缘区域。

有两个松驰因子可用：

●第一个松驰因子（默认值为1.0）两个文件”.req”和”.vel”。

这个松驰因子不经常使用。

●第二个松驰因子（默认值为0.05），对几何模型修改。

这个值从0.01到0.1这间改变。

高的值0.1因稳定性不推荐使用，相反，低的值0.01通常不能进行反问题处理。

这两个松驰因子默认值分别为1.0和0.05.

最终，下列几何模型约束是可用的：

●几何模型轮廓封闭永远可用，除非：

-叶片厚度是自动约束的（“loading”formulation）

-叶片尾缘是钝角，并且trailingedgethicknessdoesnotneedtobemaintained.

●Constantstaggerangle不经常使用

●Constantbladechord:

这个约束允许保持叶片的弦长,这个选项不应该与constantradius共同使用，因为这两个设置是相矛盾的。

●Constantradius:

这个设置推荐用于径流透平，允许保持子午面前/尾缘位置不变。

这些点被转移到圆周方向。

这个设置不推用于在半径尾缘。

●Referencepoint:

选取前缘为固定参考点（默认值），或尾缘（需选相应按扭）。

13-2.2.2输入文件”projectname.b2b.req”

这个”projectname.b2b.req”文件如同”*.vel”和”*.load”输出文件一样，也是由BtoB分析模块自动生成。

如同由初始模型流动分析的结果文件projectname.b2b.vel或projectname.b2b.load一样，利用MonitorTurbo生成。

利用MonitorTurbo创建这个文件，应按以下次序：

1、启动MonitorTurbo

2、选取菜单Loadingdiagram

3、打开projectname.b2b.vel或projectname.b2b.load文件

4、选取Mis或Cp分布（incasetheinlettotalconditionsarenotimposedbytheboundaryconditions,theinverseproblemhastobeformulatedintermsofCp）。

这个Mis和Cp的定义见公式Eq.13-1和Eq.13-2，第13-4节。

5、激活Markers以区分离散点

6、激活Editacurve按扭

7、选取吸力侧或压力侧曲线，把游标放在相应的区域，按键选取。

被激活的曲线颜色改变

8、利用鼠标中键修改这条曲线：

a.Choosetheleftpointwherethemodificationwillstart（clickonthemiddlebutton）

b.Choosetherightpointwherethemodificationwillend（clickonthemiddlebutton）

c.Choosecontrolpointsbetweentheleftandtherightpoints（clickonthemiddlebutton）

d.Displacethecontrolpoints.

-Selectthecontrolpointbyplacingthecursoronthepoint

-Pressonthekeyboard,anddisplacethepointvertically

Pressingtherightbuttonofthemousecanspecifytheexactpositionofthepoint

e.保存这个新的曲线单击按扭Save,并给这条曲线命名，或单击Cancel按扭取消对这条曲线的编辑。

13-2.2.3一些建议

应经常保存分析计算之后有益的结果。

因此推荐反问题计算之前进行。

如果要进行分析计算，在FINE™界面左上侧Computationarea单击New按扭。

一个新的与初始计算相同参数的计算被创建。

这个Rename按扭也可以用于重命名新计算。

为了在反问题计算过程中冻结湍流，通常将专家参数IATERZ设置为2。

这样可以大大缩短反问题