在燃氣渦輪中的應用

2020-11-24 騰訊網

燃氣渦輪葉片為了承受高負荷、高溫度的工作環境，一般需要設計複雜的外部幾何型面、內部冷卻流道和冷卻氣膜孔結構，隨著燃氣渦輪產品的工作溫度和轉速不斷提高，產品的冷卻設計等結構也越來越複雜，這無疑大大增加了CFD仿真前處理和網格劃分的難度、也降低仿真工程師的工作效率。

左圖：氣冷渦輪表面冷氣流線圖及換熱量雲圖

右圖：氣冷渦輪表面溫度雲圖及冷氣流線圖

傳統仿真工程師一般習慣於使用CAD軟體，如UG、CATTIA等進行幾何前處理，然後使用網格劃分工具，如ICEM CFD、Ansys Meshing等進行網格劃分。面對幾何結構越來越複雜的旋轉機械葉片，傳統網格前處理流程通常面對以下挑戰：

幾何修復和流體域抽取操作繁瑣。使用CAD軟體進行幾何修復、幾何結構簡化的工作量巨大且容易遺漏，對已有的葉片抽取計算流體域需要做大量布爾運算，操作十分繁瑣；

網格生成過程複雜、質量難以保證。使用傳統網格劃分工具進行複雜幾何網格生成時，網格質量極大的依賴於仿真工程師的經驗，新手工程師難以快速掌握傳統網格生成工具，網格生成過程、加密方法均難以固化，極大的影響網格生成效率。

針對上述挑戰，Ansys在2019年推出了基於單個操作流程界面的全新高效網格劃分工具Ansys Fluent Meshing，該網格劃分工具包含了最新的Mosaic多面體網格且可進行自動網格劃分，特別適合於包含複雜冷卻流道的氣冷燃氣渦輪葉片的網格劃分和前處理。基於Ansys SCDM幾何前處理工具和Ansys Fluent Meshing網格劃分工具可完美應對複雜氣冷燃氣渦輪幾何前處理和高質量網格劃分的挑戰！

Ansys Fluent Mosaic Meshing for CFD Simulations

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基於Ansys SCDM進行幾何前處理

在正式的網格劃分之前需要對渦輪葉片進行幾何前處理，主要包括以下環節：

幾何結構修復：SCDM可一鍵對缺失面、部件幹涉等進行修復得到修復後的實體模型，效率遠高於傳統CAD軟體。

幾何細節簡化：在氣冷渦輪葉片CFD仿真之前一般會對計算結果影響較小的倒圓、小孔、臺階等結構進行簡化，SCDM可對上述細節進行批量選擇後一鍵式進行簡化。

內冷卻流道抽取：氣冷渦輪葉片一般包含複雜的內冷卻流道，使用SCDM的Extract Volume功能可一鍵對其進行抽取，並與原固體葉片進行拓撲共享創建流固交界面，精度和效率都遠高於使用布爾運算進行前處理的傳統CAD軟體。

使用SCDM進行渦輪內冷流道抽取並進行拓撲共享

2

基於Ansys Fluent Meshing進行網格劃分

2019年全新推出的Ansys Fluent具有高效、高質量網格劃分能力，非常適合於仿真工程師處理氣冷渦輪葉片網格劃分問題。

基於單一操作樹、可定製化、可復用的網格生成操作流程：全新的Fluent Meshing可在單一操作界面操作樹中一站式完成幾何結構導入、面網格劃分、邊界條件預定義、計算域識別和抽取、邊界層網格設置和體網格劃分等操作。

全新Fluent Meshing集成式網格生成操作界面

高質量多面體Mosaic網格：全新Fluent Meshing包含Mosaic多面體網格和Poly-Hexacore多面體+六面體網格，多面體網格具有生成效率高、適應性好等優點，特別適合於氣冷渦輪葉片這類包含氣膜孔、冷卻流道等複雜幾何結構、小型曲面、幾何特徵尺寸跨度大的問題。

渦輪前緣氣膜孔和尾部擾流柱多面體網格

靈活、易用、強大的網格加密和邊界層網格生成方法：Fluent Meshing提供多種網格加密方式，包括：局部面網格加密、局部體網格加密、影響體（Body of Influence）加密等多種方法；可對氣冷渦輪葉片的各個細節處進行網格加密，其中影響體（BOI）方法可在不對初始幾何進行分割的條件下對局部區域進行整體加密，工程師可在原始幾何基礎上直接添加一個特定形成的幾何體用於對該範圍內的體網格進行加密。

渦輪葉片前緣添加影響體（BOI）進行局部體網格加密

Fluent Meshing提供多種不同的邊界層網格生成方式，可在保證近壁面Y Plus數不變的情況下保證網格的擴張比和質量。

內部冷卻孔和葉片表面邊界層網格

邊界條件預定義和計算域自動識別：Fluent Meshing可以根據流體域和固體域名稱自動進行識別（也可手動指定），可預先對進口、出口、對稱面、周期對稱面等進行邊界條件類型設置並直接在後續的求解計算中使用。

高效並行網格劃分方式：Fluent Meshing支持網格並行計算，可極大提升網格效率。用戶無需購買額外的HPC即可使用多核並行計算生成Fluent Meshing網格。

並行計算方式對Fluent Meshing網格生成效率的提升

3

成功案例：NASA C3X氣冷渦輪葉片的多面體網格剖分和流熱耦合仿真

某燃氣渦輪研究單位使用Ansys Fluent Meshing網格工具和Fluent求解器對NASA的C3X氣冷渦輪葉片進行Mosaic多面體網格剖分和流熱耦合仿真計算。相比於傳統的四面體網格，該方法極大的提升了網格劃分效率和網格質量，仿真工程師在極短的時間內即可完成之前使用ICEM CFD需要耗費數天才能完成的網格劃分任務。

NASA C3X氣冷渦輪葉片多面體網格與壓力雲圖

求解後的計算結果與NASA試驗數據進行比對，葉片中截面的葉片表面壓力係數曲線與溫度曲線和試驗結果吻合良好，證明了Ansys Fluent Meshing網格在流熱耦合計算中的精度。

NASA C3X氣冷渦輪葉片表面壓力係數曲線（左）和溫度曲線與試驗數據的比對

綜上所述，基於便捷、高效的幾何前處理工具Ansys SCDM和全新包含多面體網格劃分功能的集成式網格劃分工具Ansys Fluent Meshing，仿真工程師可高效地完成複雜氣冷渦輪葉片的幾何前處理工作並快速生成高質量網格，大大提升了氣冷渦輪流熱耦合分析的效率！

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