5條建議助你畫出完美的渦輪機械網格

將流體域離散為包含四邊形、六面體、三角形、四面體以及棱柱體等細小單元的過程稱之為網格劃分,而對旋轉機器、渦輪機械進行網格劃分則是CFD玩家們公認的最復雜和最具挑戰(zhàn)性的工作之一。

對渦輪/旋轉機械進行網格劃分分為以下步驟:

1. 選擇網格類型

為了模擬得到精確的流場,渦輪機械的CFD計算需要高質量的六面體網格。基于多塊(Multi-block)方法的結構化六面體網格比非結構的四面體網格具有下列優(yōu)勢:

• 更少的網格單元數(shù)目

• 更高的計算精度

• 高解析度的邊界層網格

• 允許比非結構網格具有更大的縱橫比(aspect ratio)

當網格與流動方向對齊時,結構化網格可以顯著減小計算誤差。但是當幾何變得復雜時,網格的質量會下降。所以,在CAD幾何文件清理之后,就應該著手探究生成多塊結構化六面體網格的可行性。

對復雜的或者奇形怪狀的幾何,六面體網格很難生成,非結構四面體網格應運而生。這種情況下,在邊界附近生成高質量的棱柱層網格變得尤其重要,這對求解邊界層流動以及保持湍流模型所需的Yplus值意義重大。

在一些情況下,我們也需要混合網格,例如,葉輪(旋轉域)區(qū)域采用六面體網格,而渦殼(靜止域)區(qū)域則采用四面體+棱柱層網格。這種情況下,則可能產生非共形交界面(non-conformal interface)

通常,多塊六面體網格較多用于軸流(axial flow)機械,而混合網格則多用于徑向流/離心流(radial/centrifugal)以及混合流動機械。

所以,網格的選擇通常取決于幾何的復雜程度以及我們想要研究的流動的特性。

2. 周期性網格

葉片幾何具有的旋轉周期性為減少網格劃分時間、精力和復雜性提供了便利。軸流機械以及徑向流/混合流機械的旋轉域部分同樣可以采用這種劃分方式。這種方式的第一步就是選擇周期性的單流道,其周期角由葉片數(shù)目決定,即:

周期角=360°/葉片數(shù)

例如:
對一16葉片的徑向渦輪機,其周期角=360°/16=22.5°(單葉片通道)

而對于只有4個葉片的泵來說,其周期角=360°/4=90°(單葉片通道)

這種周期性的幾何區(qū)域可以通過兩種方式進行選擇:

• 兩個葉片之間的流道(第一個葉片的吸力面到下一個葉片的壓力面)

• 周期性的流道中只包含一個完整葉片

如果流動本身也是周期性的(大部分軸向流機械),只需要對單葉片流道劃分網格并用于模擬計算即可,無須考慮葉片的數(shù)目。

但是,如果流動不是周期性的(具有渦殼的徑向流和混合流機械),單周期流道的網格需要進行旋轉復制,以形成完整的(360°)幾何及網格。

3. 網格尺寸/數(shù)目

網格數(shù)目就是填充整個流域的網格單元總數(shù),由幾何的復雜度和仿真模擬的目的決定。網格數(shù)目必須足夠:

• 解析完整幾何

• 捕捉關鍵流動現(xiàn)象

根據(jù)經驗,常采用下面的參考值:

• 葉片表面(流向)—100到120單元

• 葉片到葉片方向(徑向)—50到60單元

• 葉轂到包套方向—30到40單元

• 導邊和隨邊周圍—15到30單元

傳熱模擬/熱耦合模擬可能需要更好的表面網格以便獲得流固交界面上的真實熱通量值。

4. 邊界層解析度

壁面垂直方向的網格數(shù)目取決于邊界層的解析度以及所使用壁面函數(shù)對第一層網格高度的要求。

關于增長率,一般來講,在邊界層區(qū)域,網格單元的增長率應該在1.2到1.25左右,而在外域,增長率可以增大到1.3到1.5,確保整個計算域內網格尺寸不會突變。

5. 網格質量

最后,通常要對網格進行光順以達到CFD求解器的網格質量要求。這最后一步的調整非常重要,因為網格質量極大地影響著收斂性、求解的精度以及CPU計算時間。