離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的有限元分析

離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的有限元分析

一、cfd的主要作用目前，通過(guò)計(jì)算流量動(dòng)力學(xué)（rcd）進(jìn)行模擬是了解流量機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的重要方法。對(duì)于設(shè)計(jì)流體機(jī)械的企業(yè)和公司來(lái)說(shuō),CFD的成熟和應(yīng)用不僅是提供一種新的工具,更是一場(chǎng)深刻的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過(guò)程的革命。特別是許多國(guó)外的商用CFD軟件,已經(jīng)能夠運(yùn)行在MicrosoftWindows操作系統(tǒng)的PC上,從而,為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的推廣應(yīng)用提供了便利。從計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用角度來(lái)看,網(wǎng)格生成技術(shù)具有不容忽視的作用,這也是計(jì)算流體力學(xué)近20多年來(lái)取得較大進(jìn)展的一個(gè)領(lǐng)域。一般的CFD軟件都包含前處理、求解和后處理三大基本功能。不管是用什么CFD軟件對(duì)具體的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬,都必須對(duì)現(xiàn)實(shí)的物理對(duì)象用CFD軟件進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分,這就是所謂的前處理。也是使用商業(yè)CFD軟件進(jìn)行流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)分析過(guò)程中人工干預(yù)和參與最多的階段和所花工作時(shí)間最多的地方,同時(shí)也是CFD面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一。前處理過(guò)程中的網(wǎng)格生成是計(jì)算流體力學(xué)(CFD)發(fā)展的一個(gè)重要分支,目前,在CFD高度發(fā)展的美國(guó),網(wǎng)格生成所需的人力時(shí)間占一個(gè)計(jì)算任務(wù)全部人力時(shí)間的80%左右,且成功地生成復(fù)雜外形的網(wǎng)格需要依靠專(zhuān)職隊(duì)伍的努力。而筆者根據(jù)自己使用CFD方法來(lái)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,實(shí)體建模和網(wǎng)格生成這部分工作所占用的時(shí)間比例往往會(huì)超出80%。前處理工作的質(zhì)量直接影響數(shù)值模擬的質(zhì)量和可靠性。因此求解區(qū)域的建模和網(wǎng)格的劃分相當(dāng)重要,不僅需要的工作量很大,而且直接決定數(shù)值模擬結(jié)果的精度和質(zhì)量。由上可見(jiàn)前處理工作的重要性及難度,雖然有些商業(yè)CFD中針對(duì)一些特殊的行業(yè)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的前處理模塊,例如CFX-BLADEGEN專(zhuān)門(mén)用來(lái)生成透平機(jī)械的葉片造型和網(wǎng)格。但模擬的區(qū)域是多種多樣的,而且很復(fù)雜,現(xiàn)在通用軟件不可能把各種情況都考慮到,這就需要專(zhuān)業(yè)人員針對(duì)具體情況進(jìn)行幾何建模。例如模擬一個(gè)離心風(fēng)機(jī)的整機(jī)性能,就必須是整個(gè)流體機(jī)械裝置,包括進(jìn)風(fēng)口、葉輪、蝸殼、擴(kuò)壓器及各部件之間的匹配等,有些情況下甚至包括整個(gè)管道系統(tǒng)。由于流體機(jī)械裝置的許多流道是彎曲和不規(guī)則的,若想劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格不是一件很容易的事情。筆者以一臺(tái)離心風(fēng)機(jī)為例,討論流體機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程中的建模技術(shù)。二、cfd網(wǎng)格技術(shù)主要體現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)的建模一般有兩種途徑,一種是分別對(duì)離心風(fēng)機(jī)的各個(gè)部件——進(jìn)風(fēng)口、葉輪及蝸殼進(jìn)行建模,另一種是對(duì)包括進(jìn)風(fēng)口、葉輪及蝸殼在內(nèi)的整個(gè)風(fēng)機(jī)建立全實(shí)體模型。分開(kāi)對(duì)部件建模比較容易實(shí)現(xiàn),但這種建模方法導(dǎo)致在對(duì)每一個(gè)部件進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算時(shí),將前一個(gè)部件的出口計(jì)算結(jié)果作為隨后部件的進(jìn)口條件,而沒(méi)有考慮后面部件流動(dòng)對(duì)前面部件流動(dòng)的影響。在第二種實(shí)體建模方法中不對(duì)離心風(fēng)機(jī)任何一個(gè)部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,包括葉輪與進(jìn)風(fēng)口之間的間隙,以求模擬其更真實(shí)的流動(dòng)狀況。流體機(jī)械裝置是一個(gè)整體,一個(gè)系統(tǒng),任何一個(gè)部分流動(dòng)狀況的好壞,會(huì)直接影響整個(gè)流體機(jī)械裝置的性能,而且還會(huì)直接或間接影響另外一些部分的流動(dòng)狀況。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)及聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件,它有相當(dāng)強(qiáng)大和實(shí)用的前處理功能。ANSYS所構(gòu)建的實(shí)體模型除可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分析、完成管道系統(tǒng)的流動(dòng)分析等功能外,還可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的接口(一般CFD軟件中都有針對(duì)ANSYS輸出網(wǎng)格數(shù)據(jù)的接口),利用專(zhuān)業(yè)的CFD軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算和性能預(yù)測(cè)。這樣,在人工干預(yù)和參與最多,所花工作時(shí)間最多的前處理階段,利用同一種前處理工具,完成流體流動(dòng)和強(qiáng)度分析的實(shí)體模型和網(wǎng)格的建立,達(dá)到了設(shè)計(jì)計(jì)算集成的事半功倍效果,提高了設(shè)計(jì)的效率和周期。在CFD數(shù)值模擬過(guò)程中,網(wǎng)格的類(lèi)型、網(wǎng)格的分布和數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確性和精確度以及計(jì)算時(shí)間會(huì)產(chǎn)生根本性的影響。網(wǎng)格根據(jù)其形狀可以分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩大類(lèi),三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元的形狀一般為六面體單元,而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元的形狀是非六面體。非六面體單元相對(duì)于六面體單元來(lái)說(shuō)計(jì)算的精度要差。計(jì)算表明:在三維不可壓流分析中,六面體網(wǎng)格產(chǎn)生最好的結(jié)果。因此,對(duì)于三維情況,推薦六面體單元網(wǎng)格。當(dāng)然,計(jì)算精度高的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也有劣勢(shì),例如復(fù)雜外形需作局部修改或改變其構(gòu)型,則需要重新劃分區(qū)域和構(gòu)造網(wǎng)格而耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間。而另外一個(gè)方面,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制,易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀和網(wǎng)格點(diǎn)的位置,對(duì)復(fù)雜外形的適應(yīng)能力非常強(qiáng),因此比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更大的靈活性。此外,對(duì)于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格線和平面都應(yīng)保持連續(xù),并正交與物體邊界和相鄰的網(wǎng)格和面;而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則無(wú)此限制,這就消除了網(wǎng)格生成中的一個(gè)主要障礙;且其網(wǎng)格中一個(gè)點(diǎn)周?chē)狞c(diǎn)數(shù)和單元數(shù)都是不固定的,可以方便地作自適應(yīng)計(jì)算,合理縫補(bǔ)網(wǎng)格的疏密,提高計(jì)算精度。但是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格而言,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法需要較大的內(nèi)存,因?yàn)楸仨氂洃泦卧?jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)信息,在計(jì)算過(guò)程中必須為梯度項(xiàng)開(kāi)設(shè)存儲(chǔ)空間,由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不具備方向性,還必須記憶各坐標(biāo)軸方向的梯度分量,這些都使所需內(nèi)存大為增加。而且在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算需要更多的CPU時(shí)間,這不僅因?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性增加了尋址時(shí)間,更主要的是網(wǎng)格的非方向性導(dǎo)致梯度項(xiàng)計(jì)算工作量的增大。筆者在實(shí)際的計(jì)算中做過(guò)比較,對(duì)于某一離心風(fēng)機(jī)的實(shí)體模型,用數(shù)量相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在相同的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境下分別計(jì)算,達(dá)到相同的精度時(shí),后者耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間是前者的6倍。另外,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在后處理過(guò)程中,對(duì)于一個(gè)物理量,一個(gè)網(wǎng)格單元對(duì)應(yīng)一個(gè)值,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元排列是雜亂無(wú)章的隨機(jī)排列,顯示矢量圖(例如速度等一類(lèi)的矢量)時(shí),整個(gè)矢量場(chǎng)會(huì)顯得比較雜亂,這樣不利于對(duì)矢量場(chǎng)的分析。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以通過(guò)人工干預(yù)和一些特殊的幾何處理后生成,耗費(fèi)時(shí)間多。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則可以通過(guò)少量的人工定義后由軟件自動(dòng)生成,所花人工時(shí)間少。在圖1和圖2中分別表示了對(duì)某離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口和葉輪流道合并后整體1/12區(qū)域劃分的兩種網(wǎng)格。從上面的網(wǎng)格對(duì)比可以看出,自動(dòng)生成的網(wǎng)格中,不僅單元形狀比掃掠生成的網(wǎng)格差,一個(gè)是六面體,一個(gè)是四面體。而且網(wǎng)格的疏密分布也不盡合理,圖中可以看到,網(wǎng)格劃分很密的區(qū)域并不都是流場(chǎng)梯度大的區(qū)域。另外,網(wǎng)格的數(shù)量相差懸殊,在1/12的葉輪和進(jìn)口部分,兩者就相差50000多網(wǎng)格,那么,風(fēng)機(jī)整體流道的網(wǎng)格相差將超過(guò)60萬(wàn)之多。三、風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分在實(shí)體建模的過(guò)程中,必須充分考慮后面網(wǎng)格生成的方便,這很重要。因?yàn)閷?duì)于具有復(fù)雜外形的流體機(jī)械的內(nèi)部流道,生成單域的結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格是困難的,即使勉強(qiáng)生成,網(wǎng)格質(zhì)量也不能保證,從而影響流場(chǎng)數(shù)值求解的效果。借鑒分區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成方法和思想,將離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流道分成4個(gè)部分:進(jìn)口流道、葉片間流道、過(guò)渡流道、蝸殼流道。值得注意的是這4個(gè)部分是為網(wǎng)格輸入商用CFD軟件中而劃分的,實(shí)際在ANSYS的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分過(guò)程中,首先只生成了兩個(gè)大的實(shí)體,一個(gè)實(shí)體是前三個(gè)部分的組合,另外一個(gè)部分是蝸殼實(shí)體(圖3)。為了生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將蝸殼實(shí)體分成16個(gè)子實(shí)體,見(jiàn)圖4;另一個(gè)大實(shí)體分成84個(gè)子實(shí)體,見(jiàn)圖6。對(duì)這兩個(gè)大實(shí)體的各個(gè)子實(shí)體分別劃分網(wǎng)格后得到的兩個(gè)大實(shí)體的網(wǎng)格分別如圖7和圖8。為方便輸入到商用CFD軟件后的各種前后處理操作,在隨后的網(wǎng)格輸出中將這兩個(gè)大實(shí)體的網(wǎng)格再重新分為前面所說(shuō)的4個(gè)部分。下面就詳細(xì)地介紹整個(gè)網(wǎng)格的劃分過(guò)程及其技巧。對(duì)于復(fù)雜的三維實(shí)體模型,適合于通過(guò)實(shí)體建?！W(wǎng)格劃分的步驟來(lái)建立計(jì)算模型。通過(guò)這種方法來(lái)建立計(jì)算模型的過(guò)程中,程序可能對(duì)構(gòu)建的實(shí)體模型不能生成網(wǎng)格,特別是對(duì)于通過(guò)掃掠或映射的方法生成規(guī)則或者排列整齊的六面體網(wǎng)格時(shí)更是經(jīng)常的事情。因此在實(shí)體建模時(shí)必須考慮所構(gòu)建的實(shí)體是否能成功地掃掠網(wǎng)格。一個(gè)實(shí)體中下列情況成立則不能進(jìn)行掃掠:(1)體的一個(gè)或多個(gè)側(cè)表面包含多于一個(gè)環(huán),換句話說(shuō),側(cè)面有孔。(2)體包含多于一個(gè)殼;即體內(nèi)有內(nèi)腔的情況。(3)體的拓?fù)渲性疵媾c目標(biāo)面不是相對(duì)的面。因此為了達(dá)到體掃掠形狀要求,將蝸殼的實(shí)體模型做了如圖4的分割處理。并且將葉輪和進(jìn)口之間對(duì)應(yīng)一個(gè)葉道的部分分成7個(gè)子實(shí)體(圖5),那么整個(gè)風(fēng)機(jī)12個(gè)葉道,共有84個(gè)子實(shí)體(圖6)。然后分別對(duì)分割后的蝸殼和進(jìn)口與葉輪小實(shí)體分別劃分網(wǎng)格。因?yàn)檫@樣分割后完全可以通過(guò)掃掠的方法對(duì)每個(gè)分割后的子域生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,通過(guò)ANSYS的布爾操作,使每個(gè)子域與其相鄰的子域都有公共的面和線,這樣每個(gè)子域生成網(wǎng)格時(shí)會(huì)自動(dòng)和已生成網(wǎng)格的相鄰子域的網(wǎng)格對(duì)接。圖7、圖8分別表示了蝸殼、進(jìn)口與葉輪流道的網(wǎng)格。當(dāng)然,即使?jié)M足這些要求,仍可能出現(xiàn)由于體的形狀而引起掃掠生成形狀較差的單元,從而導(dǎo)致掃掠生成網(wǎng)格操作失敗。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),為避免掃掠過(guò)程中的形狀失敗的策略有:①交換源面和目標(biāo)面:交換后重新激活體掃掠。例如,將A1面為源面而A2面為目標(biāo)面,如果掃掠失敗了,可將A2作為源面而A1作為目標(biāo)面再進(jìn)行嘗試。②選擇不同的源面和目標(biāo)面:有些體可沿多個(gè)方向進(jìn)行掃掠,例如:如果A1面和A2面不成功,用A3和A4面再試。③根據(jù)警告信息修改模型:使用形狀檢查作為診斷模型中何處引起掃掠中失敗的工具。降低單元形狀檢查的尺度為警告模式,于是有嚴(yán)重錯(cuò)誤的單元導(dǎo)致警告信息而不是單元失敗,然后重新執(zhí)行掃掠操作。利用結(jié)果的警告信息確認(rèn)模型中包含差單元的區(qū)域,清除差單元再將形狀檢查打開(kāi)。接著,修改模型中包含差單元的區(qū)域。最后,再用一個(gè)掃掠操作對(duì)體劃分網(wǎng)格。在模型修改中可以將體分為兩個(gè)或多個(gè)體,將減少掃掠方向的長(zhǎng)度。并試著將出現(xiàn)較差形狀單元的區(qū)域的體拆分,對(duì)每個(gè)分開(kāi)體執(zhí)行掃掠操作。④如果差單元在目標(biāo)面的細(xì)長(zhǎng)域內(nèi)伸展,而且前面的對(duì)策也不起作用,清除網(wǎng)格然后進(jìn)行線的光滑處理,然后再進(jìn)行體的掃掠操作。根據(jù)上面的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分對(duì)策,建立了一個(gè)離心風(fēng)機(jī)的計(jì)算模型,為了更清楚的看到蝸殼和葉輪,將其分開(kāi)顯示。整個(gè)模型的單元數(shù)為159876,這個(gè)數(shù)量網(wǎng)格的計(jì)算模型,一般的PC完全能擔(dān)負(fù)其計(jì)算分析工作。四、流道及網(wǎng)格設(shè)置當(dāng)然用ANSYS把有限元網(wǎng)格劃分好后,還有一步重要的工作就是將ANSYS的網(wǎng)格導(dǎo)入商用CFD軟件中。如前所述的,應(yīng)該將整個(gè)計(jì)算模型的網(wǎng)格分為4個(gè)部分輸出,由于在CFD軟件中不可能將各個(gè)計(jì)算工作任務(wù)的網(wǎng)格合并,這就要求這4個(gè)部門(mén)的單元和節(jié)點(diǎn)的編號(hào)必須是連續(xù)的,在ANSYS中輸出網(wǎng)格時(shí)必須計(jì)算出前面輸出單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,然后再根據(jù)這個(gè)值設(shè)置一個(gè)即將輸出部分單元和節(jié)點(diǎn)的起始編號(hào)才能順利的將節(jié)點(diǎn)和單元導(dǎo)入CFD軟件中。為了方便在商用CFD軟件中精確定義單元流體屬性(例如必須將此模型葉片之間的流道定義旋轉(zhuǎn)的角速度),同時(shí)也是為了后處理中能更清楚地看到各個(gè)部分的流動(dòng)狀況,因?yàn)槿~輪部分的流道和蝸殼合并后,葉輪內(nèi)部流道完全包容在蝸殼內(nèi)了,如果不分開(kāi)顯示,后處理中葉輪內(nèi)部的三維流場(chǎng)顯示就很困難。另外更重要的一點(diǎn)是,在ANSYS中蝸殼部分的網(wǎng)格和進(jìn)口與葉輪部分的網(wǎng)格是分開(kāi)劃分的,所以這兩部分的網(wǎng)格導(dǎo)入商用CFD軟件后,這兩部分的網(wǎng)格并不會(huì)象各自所包含的子域之間的網(wǎng)格一樣是連續(xù)連接在一起的。在CFD軟件中必須將這兩部分的網(wǎng)格對(duì)接起來(lái),這就是為什么在葉輪的出口處有一個(gè)圓環(huán)形的網(wǎng)格子域存在的原因。在CFD軟件中就是利用這部分網(wǎng)格與蝸殼網(wǎng)格對(duì)接起來(lái),因?yàn)槿~輪部分的網(wǎng)格是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)格,而蝸殼的網(wǎng)格是靜止的,這樣的兩種網(wǎng)格是不能做對(duì)接處理的,所以只有在ANSYS中加一個(gè)這樣圓環(huán)狀的起過(guò)渡作用的子域網(wǎng)格,這部分網(wǎng)格在ANSYS中劃分網(wǎng)格時(shí),由于與葉片之間的流道存在公共的面,所以它們之間的網(wǎng)格是連續(xù)連接在一起的,在CFD軟件中的無(wú)需做任何處理。五、u3000試驗(yàn)結(jié)果圖9為本例生成的計(jì)算網(wǎng)格在商用CFD軟件中求解后的結(jié)果。該模型是一個(gè)5號(hào)離心通風(fēng)機(jī)。該計(jì)算