Расчет течения в проточной части вентилятора в Ansys CFX.

Кирилл "deLuther" Сергеев 25.05.2009

---

Данная статья входит в набор статей для решения задачи "Моделирование осевого вентилятора в Ansys 12"

Полный список статей для этой задачи таков:

Описание задачи

1. Создание геометрии в Ansys BladeModeler

2. Предварительные расчеты

3. Создание сетки с помощью CFX-Mesh

4. Расчет течения в Ansys CFX (данная статья)

5. Поспроцесоорная обработка результатов в CFD-Post

 

См. также:

6. Расчет течения в Ansys Fluent

 

Сопутсвующие матераилы:

Расчет штамповки ступицы вентилятора в сиcтеме QForm 2D/3D

 

---

 

В Project Schematics, открываем по правой кнопке всплывающее меню, выбираем в нём Transfer Data To New->CFX (либо можно просто добавить систему CFX и перетащить сетку (Mesh) на ячейку Setup).

 

 

Следует обновить проект (Update Project), иначе при редактировании ячейки CFX возможны ошибки. В появившемся диалоге выбираем OK - он говорит о том, что в ячейке Setup ничего нет и надо её отредактировать. На самом деле, возможно, это сказывается неотработанность процессов в новой версии, т.к. при добавлении системы CFX сбрасывается созданная сетка и её требуется генерировать снова. Без регенерации, в CFX можно получить ошибку с лицензией, хотя на самом деле дело только в сетке.

Теперь открываем на редактирование ячейку Setup (дабл-клик на Setup).

Появляется окно CFX-Pre.

Перед началом задания граничных условий и прочего, сделаем несколько подготовительных шагов.

Во-первых добавим выражение (Expression) rpm = 3000 [rev min^-1] (оборотов в минуту) и сделаем его параметром воркбенча.

 

 

Таким же образом добавим выражение mflow = 2.12152 [kg s^-1] (массовый поток через вентилятор) и сделаем его параметром воркбенча.

Добавим ещё параметр nblades = 28 (количество лопаток). Таким образом мы сможем варьировать эти параметры из самого воркбенча, что даёт определённые преимущества.

Теперь можно задать параметры расчётной области и граничные условия. Делать это можно стандартным способом, но для турбомашин предусмотрен автоматизированный режим. Доступ к мастеру можно получить, если выбрать Tools->Turbo Mode...

Поменяем тип машины (Machine Type) на Fan (вентилятор), по сути это необходимо только для автоматической загрузки шаблона постпроцессинга. Стрелка (3) указывает направление вращения (при положительной угловой скорости). Ось вращения по умолчанию Z, можно поменять, если модель создавалась по другим принципам.

 

 

Жмём Next и переходим на задание свойств расчётной области. В Components выделяем R1. Тип компонента оставляем Rotating, возможно задание стационарной (Stationary) области для статоров. Значение Value мы зададим через выражение. Для этого щёлкнем в поле Value и нажмём кнопочку со значком Expression справа, в поле введём -rpm (так как значение скорости у нас положительное, а вращение в другую сторону, чем указывает стрелка). Включим Wall Configuration (отметив галкой) и переключим Tip Clearance at Shroud на Yes, таким образом мы сделаем обод стационарным.

 

 

Теперь можно идти дальше (Next) к определению физики.

Fluid оставим как есть (Air at 25 C), т.е воздух как несжимаемая среда, что подходит для вентилятора. При необходимости можно в проекте переопределить данные для другой температуры, только следует указать все теплофизические свойства для данной температуры. Тип анализа - стационарный (Steady State). Сменим модель турбулентности на SST (Shear Stress Transport). В шаблонах условий (Inflow/Outflow Boundary Templates) выберем P-Total Inlet Mass Flow Outlet. В качестве P-Total укажем 216 Pa (введя 216 и выбрав Pa в списке справа), заданное значение это только скоростной напор (относительное давление, т.е. полное давление за исключением Reference Pressure). Для Mass Flow выберем Per Machine и укажем 2.12 ([kg s^-1]). Впоследствии мы заменим оба эти значения на выражения.

 

 

Нажимаем Next

Далее следует задание периодического интерфейса. Выбрав его можно убедиться, что автоматически выбрались нужные области (или в других случаях выбрать их самостоятельно). При создании сетки в других сеточных генераторах можно самим называть регионы подобным образом и они будут подхватываться автоматически.

Нажимаем Next

Далее можно убедиться в том, какие условия заданы для остальных регионов. Стоит отметить, что на R1 Outlet общий расход был автоматически поделён на количество лопаток и то, что для R1 Shroud указана опция Counter Rotating Wall (вся область вращается, поэтому для задания стационарной стенки задаётся её противоположное вращение).

 

 

Нажимае Next и далее Finish.

Возвращаемся в общий режим, видно автоматически созданные граничные условия и интерфейсы.

При необходимости задать другие свойства рабочего тела можно открыть в дереве Materials и открыть для редактирования используемый материал. На второй вкладке можно задать теплофизические свойства для нужной температуры (давления, из программ по расчёту ТФС или по таблицам), в том числе транспортные (Transport Properties).

 

 

Добавим новое выражение (Expression) rho.

На сей раз выражение будет более сложным, мы определим плотность как среднюю на входе. CFX-Pre предлагает некоторые возможности по составлению таких выражений. Компоненты выражений доступны во всплывающем по правой кнопке меню. Сначала добавим функцию осреднения по площади areaAve (функции связанные с регионами расположены в Functions->Locator-based). Далее, щёлкнув внутри скобок areaAve(), добавим переменную, которую хотим осреднить, в нашем случае плотность (Density). Переменные находятся в подменю Variables и разбиты на подменю по алфавиту. Теперь, щёлкнув после @, добавим регион для осреднения. Здесь есть альтернативы, регион можно выбрать в Physics Locators, где находятся регионы граничных условий (которые мы задаём в CFX-Pre). Также регион можно выбрать в Mesh Locators, где находятся регионы созданные при создании сетки (точнее при импорте). В определённом смысле лучше использовать Physics Locators, чтобы не завязываться на регионы сетки. К тому же регионов сетки может быть намного больше и иногда сложно в них разобраться.

Конечное выражение должно быть areaAve(Density)@R1 Inlet. Нажав Apply, сохраняем выражение.

 

 

Далее создадим выражение S (площадь входа), значение nblades*area()@R1 Inlet, которое конструируется из функции area и региона R1 Inlet и умножается на количество лопаток.

Создадим выражение Q (объёмный расход) как mflow/rho (выражения доступны в подменю Expression), но проще ввести просто так.

Далее создадим ещё выражения.

Для осевой скорости введём выражение Ca, Q/S.

Скоростной напор Pt, rho*Ca^2/2.

Теперь зададим более сложное выражение для определения мощности на валу power:

nblades*rpm*(torque_z()@R1 Blade+torque_z()@R1 Hub).

В данном случае хоть torque() и можно из меню, но надо добавить _z для указания оси, так как просто torque() это магнитуда момента как вектора.

 

PtIn	Полное давление на входе	massFlowAve(Total Pressure in Stn Frame )@R1 Inlet
PtOut	Полное давление на выходе	massFlowAve(Total Pressure in Stn Frame )@R1 Outlet
PsIn	Статическое давление на входе	massFlowAve(Pressure )@R1 Inlet
PsOut	Статическое давление на выходе	massFlowAve(Pressure )@R1 Outlet
EffTot	КПД по полному давлению	Q*(PtOut-PtIn)/power*100
EffStat	КПД по статическому давлению	Q*(PsOut-PsIn)/power*100

 

Выражения.

 

Для того чтобы не вводить похожие выражение каждый раз, их можно продублировать и затем переименовать, подправив то, что необходимо.

Теперь используем эти выражения.

Укажем для R1 Outlet вместо цифрового значения расхода выражение.

Откроем (дабл-клик) R1 Outlet в дереве, на вкладке Boundary Details жмём кнопку Expression и вводим mflow/nblades.

 

 

Аналогично для R1 Inlet, в Boundary Details, Mass And Momentum, Relative Pressure вводим выражение Pt.

В дереве открываем Output Control (Simulation->Solver), на вкладке Monitor включаем Monitor Options. В Monitor Points and Expressions добавляем точку и называем Total Efficiency. Меняем Option на Expression и вводим название выражения либо по правой кнопке во всплывающем меню выбираем из Expressions. Жмём Apply.

 

 

Добавим ещё точки Static Efficiency (EffStat), Shaft Power (power). Так же ещё в целях наблюдения удобно ещё добавить PTotal Inlet (PtIn) и PStatic Outlet (PsOut).

Точки мониторинга:

 

 

Теперь откроем в дереве Solver Control и на вкладке Basic Settings зададим Max. Iterations - 500. Residual Type - Max, Residual Target - 0.0001.

 

 

С заданием физики всё.

Можно сохранить проект (в самом CFX-Pre или, закрыв его, в воркбенч). Закрываем CFX-Pre.

Для выполнения расчёта, сначала выделим ячейку Solution и сменим Initialization Option (пункт 4 в Properties of Schematic... справа) на Update From Initial Conditions. Последнее сделано преимущественно в отладочных целях т.к. если всё нормально считается, то можно оставить как есть. Если же процесс пойдёт не так как надо (мы допустили ошибку), то после остановки и перезапуска возможно новые параметры не сработают (при слишком большом отклонении). Пример - если случайно (т.е. по ошибке) указать 3000 [rev s^-1], то после исправления на [rev min^-1] задача продолжит считаться неправильно. Поэтому для начала имеет смысл поставить запуск из начальных условий заданных в самой задаче. Дабл-кликом на Solution запускаем CFX-Solver Manager единственное, что можно изменить это Run Mode c Serial на один из параллельных вариантов. Я поставлю HP MPI Local Parallel и количество Partitions 3 (достаточно нажать +, у меня 4 ядра, для CFX ускорение далеко от линейного и слишком большой разницы между 3 или 4 ядрами я не получу, так что проще оставить одно ядро свободным для системных процессов, сохранив возможность пользоваться тем же браузером). После чего можно запустить расчет, нажав Start Run.

 

 

Переключение между режимом отображения осреднённых и максимальных невязок производится кнопками RMS и MAX в тулбаре, по умолчанию режим отображения - RMS.

На вкладке User Points находятся точки для мониторинга, которые мы задали. Следует отметить, что все они выводятся на один монитор и имеют разный масштаб, поэтому имеет смысл включить то, что более интересно на данный момент.

 

 

На вкладке Range Settings можно сменить режим временного окна, например чтобы не мешали большие значения на первых шагах.

 

 

В данном случае задача посчиталась за 13 минут с достижением указанной сходимости, но можно войти в препроцессор (как один из вариантов или отредактировать в Command Editor`е) и повысить планку до 1e-5 (MAX). Чтобы добиться лучшей сходимости по мощности на валу. Очень часто судить о сходимости необходимо именно по интегральным параметрам, а не только по невязкам. Например, в случае сильного срыва потока, каких-то пульсаций, задача может плохо сходиться по невязкам, но может дать удовлетворительный результат по интегральным параметрам. Что касается сообщений о создании искусственной стенки в логе, то следует оценить, какой процент площади она занимает. Лучший способ борьбы с подобным - отдаление границ или присоединение области входа и/или выхода (т.е. по сути то же отдаление границ).

Закроем CFX-Solver Manager и перейдём к постпроцессингу, дважды щёлкнув на ячейке Results системы CFX и запустив CFD-Post.

 

< Предыдущая