5條建議助你畫出完美的渦輪機(jī)械網(wǎng)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(xì)小單元的過程稱之為網(wǎng)格劃分,而對旋轉(zhuǎn)機(jī)器、渦輪機(jī)械進(jìn)行網(wǎng)格劃分則是CFD玩家們公認(rèn)的最復(fù)雜和最具挑戰(zhàn)性的工作之一。

對渦輪/旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行網(wǎng)格劃分分為以下步驟:

1. 選擇網(wǎng)格類型

為了模擬得到精確的流場,渦輪機(jī)械的CFD計算需要高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格?；诙鄩K(Multi-block)方法的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格具有下列優(yōu)勢:

• 更少的網(wǎng)格單元數(shù)目

• 更高的計算精度

• 高解析度的邊界層網(wǎng)格

• 允許比非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更大的縱橫比(aspect ratio)

當(dāng)網(wǎng)格與流動方向?qū)R時,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以顯著減小計算誤差。但是當(dāng)幾何變得復(fù)雜時,網(wǎng)格的質(zhì)量會下降。所以,在CAD幾何文件清理之后,就應(yīng)該著手探究生成多塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格的可行性。

對復(fù)雜的或者奇形怪狀的幾何,六面體網(wǎng)格很難生成,非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格應(yīng)運(yùn)而生。這種情況下,在邊界附近生成高質(zhì)量的棱柱層網(wǎng)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(wǎng)格,例如,葉輪(旋轉(zhuǎn)域)區(qū)域采用六面體網(wǎng)格,而渦殼(靜止域)區(qū)域則采用四面體+棱柱層網(wǎng)格。這種情況下,則可能產(chǎn)生非共形交界面(non-conformal interface)

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

所以,網(wǎng)格的選擇通常取決于幾何的復(fù)雜程度以及我們想要研究的流動的特性。

2. 周期性網(wǎng)格

葉片幾何具有的旋轉(zhuǎn)周期性為減少網(wǎng)格劃分時間、精力和復(fù)雜性提供了便利。軸流機(jī)械以及徑向流/混合流機(jī)械的旋轉(zhuǎn)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(jī),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(jìn)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(jī)械),只需要對單葉片流道劃分網(wǎng)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(jī)械),單周期流道的網(wǎng)格需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制,以形成完整的(360°)幾何及網(wǎng)格。

3. 網(wǎng)格尺寸/數(shù)目

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

• 解析完整幾何

• 捕捉關(guān)鍵流動現(xiàn)象

根據(jù)經(jīng)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(dǎo)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格高度的要求。

關(guān)于增長率,一般來講,在邊界層區(qū)域,網(wǎng)格單元的增長率應(yīng)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(nèi)網(wǎng)格尺寸不會突變。

5. 網(wǎng)格質(zhì)量

最后,通常要對網(wǎng)格進(jìn)行光順以達(dá)到CFD求解器的網(wǎng)格質(zhì)量要求。這最后一步的調(diào)整非常重要,因為網(wǎng)格質(zhì)量極大地影響著收斂性、求解的精度以及CPU計算時間。