如何使用Numeca进行离心压气机仿真计算
如何使用Numeca进行离心压气机仿真计算
陈山(****************)
目标：
得到如图1中的离心压气机实体，使用Numeca软件应如何进行操作才能得到仿真结果？下面按照要进行操作的大概步骤进行讲述。
图1 离心压气机部件实体
对于离心压气机，气体流通区域包括叶轮通道区及蜗壳流道区，那么也就只需要这两部分区域进行仿真计算。那么目标就是处理得到的实体模型，得到这两部分区域。
Numeca软件：
要使用Numeca软件进行操作及仿真，先来认识一下Numeca。
包括：IGG/AutoGrid（前处理模块，主要用于几何处理及网格生成）、Fine（求解器，进行流场求解）、CFView（后处理模块，主要用于显示计算得到的流场的详细情况）、Monitor （求解过程监视器，查看收敛历史，还可用来查计算最先发散的网格区域）。当然后还包括其它AutoBlade、Design 2D、Design 3D等。
具体操作例子Tutorial_Compressor_with_Splitter。
1、基本操作
2、从这个例子知道准备叶轮几何文件需要什么信息（hub、shroud以及叶片面）。
3、两个方向：流向、径向
4、强调AutoGrid4文件保存（保存问题，如原来的文件夹都在D盘，那么如果保存的路径仍在D盘不管哪个路径，写出来的*.geomTurbo内都是调用所需文件的路径名，只有到别的磁盘分区如C保存出来的*.geomTurbo内才会写数据）
5、网格文件格式
网格文件（AutoGrid5手册P1-3）：*.geomTurbo文件（几何信息）和*.trb文件（网格信息）
图1 AutoGrid5网格文件
对压气机几何实体进行操作
一、几何调整位置，满足相互间匹配关系及符合Numeca软件旋转轴(Z轴)的要求。（1_Geom文件夹）
1、原始的几何文件
90compressorbackplate.igs,90compressorhousing.igs,90compressorwheel.igs都保存在1_Geom\OriginalData文件夹中。
2、在IGG84_3中，先读入蜗壳（TRM_SRF1-456，先全选所有面，然后Geometry/Modify Surface/Set Name，全改为compressorhousing）、叶轮（TRM_SRF1-469，先全选所有面，然后Geometry/Modify Surface/Set Name，全改为impeller）、背盘（TRM_SRF 1-335，先全选所有面，然后Geometry/Modify Surface/Set Name，全改为backplate），然后存为90compressor.dat。（因为这里的几何在建模时，都已考虑过匹配关系了，所以直接读进来）
3、选择90compressor.dat中所有面，然后绕（1 0 0）轴及（0 0 0）点旋转-90度，存为90compressor_rot.dat。（Numeca软件旋转轴(Z轴)的要求）
4、分别把90compressor_rot.dat中所有叶轮面（impeller1-469）保存为impeller.dat、所有蜗壳面（compressorhousing1-456）保存为compressorhousing.dat、所有背盘面（backplate1-355）保存为backplate.dat。(注意，这不是必须的，只是为了方便后续操作)
二、处理叶轮得到Numeca需要的几何文件：（hub、shroud以及叶片面）（2_Impeller 文件夹）
首先得到hub和shroud线：
1、从compressorhousing.dat中选出所有轮缘面存为shroud_surface.dat。
在IGG中读入shroud_surface.dat，做直线（0 0 0）（100 0 0）并绕（0 1 0）旋转360度形成一个平面，并用该平面与shroud_surface中所有面相交，得到四段线，把这四段线导出，存为shroud_1.dat。把shroud_1.dat中的四段线两两相交，得出交点，采用insert new face的方法光顺这四段线，每段之间取在前面两两交得的交点，该光顺曲线分配101个点，把三个交点都设置为固定点（Attach fixed point）（这样能保持原样，实际曲线由各网格点按样条曲线规律形成），存为shroud_2.dat。
2、在IGG中读入impeller.dat，做直线（0 0 0）（100 0 0）并绕（0 1 0）旋转360度形
成一个平面，并用该平面与impeller.dat中前缘轮毂面相交，得到的直线和XZ面上正X轴方向上轮毂线一起存为hub_impeller_1.dat。采用insert new face的方法光顺这两段线（两段线中间有一段间隔，直接用两段线的端点），该光顺曲线分配81个点，存为hub_impeller_2.dat。根据背盘尺寸backplate.dat知道背盘轮毂线的两点坐标（46.75 0 -0.516）和（78.75 0 -0.516），直接写数据文件hub_backplate.dat。（关于数据文件格式及内容排列查看UserManual_IGG_8.7-rev0.pdf第十一章）把hub_impeller_2.dat和hub_backplate.dat一起导入IGG中，采用insert new face的方法光顺这两段线
（两段线中间有一段间隔，直接用两段线的端点），该光顺曲线分配93个点，把两个断点都设置为固定点（Attach fixed point，分别为81，83），存为hub_1.dat。
3、在IGG中导入叶轮impeller.dat，做直线（0 0 0）（100 0 0）绕Y轴旋转360度成面，与叶轮叶顶的三个圆环面相交得到叶顶线，存为impeller_tip_line_1。把该曲线与轮盖线shroud_2一起导入IGG，又由叶轮半径为45.75mm，从而测量得到叶顶间隙尺寸：前缘0.5mm，尾缘0.6mm。把impeller_tip_line_1中的三段线两两相交，求得交点，采用insert new face的方法光顺（点设置为101），得到一条完整的叶顶线，存为impeller_tip_line_2。（这是为了确定网格生成过程中设置的叶顶间隙大小）
另外一种方法作hub(轮毂)线，可以在叶轮实体根部到一些从进口到出口的连续曲线，把它们全先出来，然后组合成一整个曲线即可：Geometry/Curve/Group。不推荐测量叶顶间隙的大小，在IGG中把前面取得的shroud_2.dat和impeller_tip_line_2一起读入，使用Geometry/Distance即可测量得到
其次处理得到叶片面：
1、在IGG中读入impeller.dat，只选出第一象限内（为什么选第一象限？参见图3）主叶片、分流叶片除根部圆角以外的压力面、吸力面上散面（不包括叶顶面）（这里实际上直接用这些面，可能会造成叶片形状不好，因为顶部是基本光滑的，而根部由于圆角的存在使得根部线不光滑，可平移hub线，重
新切一下这些面，保存根部线也光滑，对于这里的几何，可平移1.5mm）。(后续就是对这新截取出来的根线和原叶顶线之间的叶片面区域进行操作，因为根、顶都是光顺的，在最后一步把叶片面延展使其超出hub和shroud线时，能保证延伸的几何面部分也是光顺平滑的) 叶片面为35如何为文件夹加密
2、354-355、357、359-362、366-369、382、384、389、391-400、402-404。保存为blade_surface.dat。（注意，选面的时候，先把鼠标放置到面所在的区域，然后通过点击鼠标中键切换鼠标所在位置上存在的所有面，从而到所要求的面）
2、铺面把主叶片前缘的三个面（394、396、397）组合成一个面（main_blade_leading_surface），点设置为101X201；
铺面（Grid/Insert New Face）把分流叶片前缘的三个面（366-368）组合成一个面（splitter_blade_leading_surface），点设置为101X201；
把分流叶片吸力面除前缘面后的三个面（352、357、369）合成一个整面（splitter_suction_side），点设置为101X201；
铺分流叶片压力面（sps）、吸力面(sss)，点设置为50X120，流向两端加密（0.002,0.5,0）；
铺主叶片压力面（mps）、吸力面(mss)，点设置为50X150，流向两端加密（0.002,0.5,0）；
（这里进行加密主要是为了保持原始几何）
把最后铺设的四个面存为blade_surface_pro.dat。
把blade_surface_pro.dat中的四个都取流向上的5段线（选几段线？）lofted成面，分别存为：mps_lofted.dat，mss_lofted.dat，sps_lofted.dat，sss_lofted.dat；
对于为什么要选几段线重新lofted（放样）成面，主要是因为网格面信息量太大，对于后续的处理会造成很大的困难。
图3
Numeca公司总部的回复是几何跨跃一、四象限，导致blade-to-blade面几何分离，但是实际有可能不是，具体原因现在无法确定，但建议所取的叶片面最好完整地处在某一象限内，不
跨跃象限，尤其一、四象限
小结：到这里，应该认识到所谓的几何处理，全部使用的是一个替代过程，用一个完整的曲线替代原来的曲线组，用一个完整的曲面替代原来的曲面组，同样的都是使用Insert New Face（插入新网格面）命令来进行替代。要注意的只是，进行曲线替代时，只要保证所要替代原来曲线组的网格线完全
附着在曲线组上就行，而不必对网格面进行操作；而进行面替代时，先要使网格面的四个边都完全附着在要替代的曲面组的最外曲线，然后把网格面投影到要替代的曲面组上，这样就保证网格面与所要替代的曲面组是一致的。
最后，把mps_lofted.dat，mss_lofted.dat，sps_lofted.dat，sss_lofted.dat这四个面和hub_1.dat、shroud_2.dat在AG4中组合（这个过程可在AutoGrid4和Autogrid5分别完成，看大家喜好用哪一个，推荐AutoGrid4，在AutoGrid4中默认模板是不带分流叶片的，所以对于带分流叶片的几何，先要调出带分流叶片的模板：File/New Template/Mesh With Splitter Blade/Open/No）存为90compressor_Turbo和90compressor_b(注意文件保存问题)，使用这两个文件就可进行叶轮网格生成（当然，也可以再进行一定的修改，比如这里把hub和shroud的进出口修整平齐（可以直接对文件内的数据进行操作），存为90compressor_Turbo）。
准备好了几何，也对hub和shroud的进出口作了一定的平齐处理，但实际上还有一些问题需要考虑，即进、出口段的长度选择。当然，如果按照实际的几何模型来处理最好了，但这样的话几何一般较长、较大且很复杂，所以经常是使用一些简单模型。
对于简单模型，根据计算的一些规律，进口长度基本可选取（至少）超出主叶片前缘一个叶片弦长（一般指中部叶高弦长），对于这里的离心叶轮，叶片弦长不太好测量，那么可取1.5倍叶轮轴向弦长，长一点也行，最好不要太短。对于出口长度，如果只是单叶轮计
算，那么也可取超出叶片尾缘一个叶片弦长的长度；对于还带有叶片扩压器的，可按超出扩压器叶片尾缘一个扩压器叶片弦长，此种情况，因扩压度较大，出口段如过长，则计算很难收敛，在实际计算的时候可再作修改。
对于这里的压气级计算（见下图），出口长度（即交界面）不能随意选择，这一个选择其实在第一步的几何位置调整时期就应该进行考虑的，但因还没有进行蜗壳几何操作且修改也比较简单，到此才考虑也行。进行定常计算时（使用的是混合平面法对交界面处的数据进行交换），对叶轮+无叶扩压器+蜗壳的情况，叶轮出口可设置在叶轮出口与无叶扩压器出口的叶间；对于叶轮+叶片扩压器+蜗壳情况，有两个交界面，也都可设置在相连部件的中间位置即可。进行非定常计算时（插值交换数据），位置可更随意的选取。其实，交界面的位置还影响到结果的处理，所以对于带着明确目标而进行的计算，还需要根据计算目标对交界面位置进行选择。
图
补充单叶轮计算：
首先，叶轮网格划分，大家知道，Numeca是一个旋转机械专业软件，针对于叶片区域，已形成了按模板自动生成网格的功能。所以得到了前面的90compressor_Turbo 几何文件以后，（网格可在AutoGrid4和Autogrid5分别生成，推荐AutoGrid5）在AutoGrid5中读入几何文件，点击软件界面右上角的Generate 3D软件即可按照其内置的模板生成一套完整的网格（当然这一般是不可使用的，因为针对我们具体的几何，我们要进行一定的修改）。
对于叶轮网格生成，我们可以读入几何文件后直接点击Generate 3D生成网格，然后在其基础上进行修改；也可读入几何文件后，先进行相应的修改，然后再点击Generate 3D生成网格。下面按第二种。
步骤（更详细具体的可查看Tutorials_Turbo_Design_82_1\AutoGrid\_basics里的Tutorial_Guide_AutoGrid_82_1_Basics-Acrov5.pdf）：
1、读入几何文件，对于只有*.geomTurbo文件，File/New Project/Y es/Initialize a New Project from a geomTurbo File。（对于已进行过网格生成并保存的，File/Open Project/Y es/Select
a Project File）
2、设置单位Geometry Definition/Units选择正确的单位。（Numeca软件是没有单位的，具体的单位是按大家给定的几何确定的，所以这一步不是必须的，只是形成良好的习惯）
3、选择上叶排，给定合适的第一层网格尺寸（这一步是网格生成中最重要的）Mesh Control/ Row Mesh Control/ cell width

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