離心風(fēng)機內(nèi)部流場的有限元分析

一、cfd的主要作用目前，通過計算流量動力學(xué)（rcd）進行模擬是了解流量機械內(nèi)部流動的重要方法。對于設(shè)計流體機械的企業(yè)和公司來說,CFD的成熟和應(yīng)用不僅是提供一種新的工具,更是一場深刻的設(shè)計方法和設(shè)計過程的革命。特別是許多國外的商用CFD軟件,已經(jīng)能夠運行在MicrosoftWindows操作系統(tǒng)的PC上,從而,為現(xiàn)代設(shè)計方法的推廣應(yīng)用提供了便利。從計算流體力學(xué)的應(yīng)用角度來看,網(wǎng)格生成技術(shù)具有不容忽視的作用,這也是計算流體力學(xué)近20多年來取得較大進展的一個領(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軟件對具體的流動現(xiàn)象進行數(shù)值模擬,都必須對現(xiàn)實的物理對象用CFD軟件進行實體建模和網(wǎng)格劃分,這就是所謂的前處理。也是使用商業(yè)CFD軟件進行流體機械內(nèi)部流場分析過程中人工干預(yù)和參與最多的階段和所花工作時間最多的地方,同時也是CFD面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一。前處理過程中的網(wǎng)格生成是計算流體力學(xué)(CFD)發(fā)展的一個重要分支,目前,在CFD高度發(fā)展的美國,網(wǎng)格生成所需的人力時間占一個計算任務(wù)全部人力時間的80%左右,且成功地生成復(fù)雜外形的網(wǎng)格需要依靠專職隊伍的努力。而筆者根據(jù)自己使用CFD方法來計算的經(jīng)驗來看,實體建模和網(wǎng)格生成這部分工作所占用的時間比例往往會超出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。由上可見前處理工作的重要性及難度,雖然有些商業(yè)CFD中針對一些特殊的行業(yè)專門開發(fā)了專用的前處理模塊,例如CFX-BLADEGEN專門用來生成透平機械的葉片造型和網(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,這就需要專業(yè)人員針對具體情況進行幾何建模。例如模擬一個離心風(fēng)機的整機性能,就必須是整個流體機械裝置,包括進風(fēng)口、葉輪、蝸殼、擴壓器及各部件之間的匹配等,有些情況下甚至包括整個管道系統(tǒng)。由于流體機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。筆者以一臺離心風(fēng)機為例,討論流體機械內(nèi)部復(fù)雜流場數(shù)值模擬過程中的建模技術(shù)。二、cfd網(wǎng)格技術(shù)主要體現(xiàn)離心風(fēng)機的建模一般有兩種途徑,一種是分別對離心風(fēng)機的各個部件——進風(fēng)口、葉輪及蝸殼進行建模,另一種是對包括進風(fēng)口、葉輪及蝸殼在內(nèi)的整個風(fēng)機建立全實體模型。分開對部件建模比較容易實現(xiàn),但這種建模方法導(dǎo)致在對每一個部件進行內(nèi)部流動計算時,將前一個部件的出口計算結(jié)果作為隨后部件的進口條件,而沒有考慮后面部件流動對前面部件流動的影響。在第二種實體建模方法中不對離心風(fēng)機任何一個部分進行簡化處理,包括葉輪與進風(fēng)口之間的間隙,以求模擬其更真實的流動狀況。流體機械裝置是一個整體,一個系統(tǒng),任何一個部分流動狀況的好壞,會直接影響整個流體機械裝置的性能,而且還會直接或間接影響另外一些部分的流動狀況。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場及聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,它有相當強大和實用的前處理功能。ANSYS所構(gòu)建的實體模型除可以進行結(jié)構(gòu)和強度分析、完成管道系統(tǒng)的流動分析等功能外,還可以通過專門的接口(一般CFD軟件中都有針對ANSYS輸出網(wǎng)格數(shù)據(jù)的接口),利用專業(yè)的CFD軟件實現(xiàn)對流體機械內(nèi)部流場的計算和性能預(yù)測。這樣,在人工干預(yù)和參與最多,所花工作時間最多的前處理階段,利用同一種前處理工具,完成流體流動和強度分析的實體模型和網(wǎng)格的建立,達到了設(shè)計計算集成的事半功倍效果,提高了設(shè)計的效率和周期。在CFD數(shù)值模擬過程中,網(wǎng)格的類型、網(wǎng)格的分布和數(shù)量對計算結(jié)果的正確性和精確度以及計算時間會產(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,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。非六面體單元相對于六面體單元來說計算的精度要差。計算表明: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,對于三維情況,推薦六面體單元網(wǎng)格。當然,計算精度高的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也有劣勢,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)格而耗費較多的人力和時間。而另外一個方面,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點的結(jié)構(gòu)性限制,易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀和網(wǎng)格點的位置,對復(fù)雜外形的適應(yīng)能力非常強,因此比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更大的靈活性。此外,對于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在計算域內(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)格則無此限制,這就消除了網(wǎng)格生成中的一個主要障礙;且其網(wǎng)格中一個點周圍的點數(shù)和單元數(shù)都是不固定的,可以方便地作自適應(yīng)計算,合理縫補網(wǎng)格的疏密,提高計算精度。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,因為必須記憶單元節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)信息,在計算過程中必須為梯度項開設(shè)存儲空間,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)格中進行流場計算需要更多的CPU時間,這不僅因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的隨機性增加了尋址時間,更主要的是網(wǎng)格的非方向性導(dǎo)致梯度項計算工作量的增大。筆者在實際的計算中做過比較,對于某一離心風(fēng)機的實體模型,用數(shù)量相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在相同的計算機硬件環(huán)境下分別計算,達到相同的精度時,后者耗費的計算時間是前者的6倍。另外,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在后處理過程中,對于一個物理量,一個網(wǎng)格單元對應(yīng)一個值,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元排列是雜亂無章的隨機排列,顯示矢量圖(例如速度等一類的矢量)時,整個矢量場會顯得比較雜亂,這樣不利于對矢量場的分析。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以通過人工干預(yù)和一些特殊的幾何處理后生成,耗費時間多。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則可以通過少量的人工定義后由軟件自動生成,所花人工時間少。在圖1和圖2中分別表示了對某離心風(fēng)機的進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)格對比可以看出,自動生成的網(wǎng)格中,不僅單元形狀比掃掠生成的網(wǎng)格差,一個是六面體,一個是四面體。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的葉輪和進口部分,兩者就相差50000多網(wǎng)格,那么,風(fēng)機整體流道的網(wǎng)格相差將超過60萬之多。三、風(fēng)機網(wǎng)格劃分在實體建模的過程中,必須充分考慮后面網(wǎng)格生成的方便,這很重要。因為對于具有復(fù)雜外形的流體機械的內(nèi)部流道,生成單域的結(jié)構(gòu)化計算網(wǎng)格是困難的,即使勉強生成,網(wǎng)格質(zhì)量也不能保證,從而影響流場數(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)機的內(nèi)部流道分成4個部分:進口流道、葉片間流道、過渡流道、蝸殼流道。值得注意的是這4個部分是為網(wǎng)格輸入商用CFD軟件中而劃分的,實際在ANSYS的實體建模和網(wǎng)格劃分過程中,首先只生成了兩個大的實體,一個實體是前三個部分的組合,另外一個部分是蝸殼實體(圖3)。為了生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將蝸殼實體分成16個子實體,見圖4;另一個大實體分成84個子實體,見圖6。對這兩個大實體的各個子實體分別劃分網(wǎng)格后得到的兩個大實體的網(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)格輸出中將這兩個大實體的網(wǎng)格再重新分為前面所說的4個部分。下面就詳細地介紹整個網(wǎng)格的劃分過程及其技巧。對于復(fù)雜的三維實體模型,適合于通過實體建模——網(wǎng)格劃分的步驟來建立計算模型。通過這種方法來建立計算模型的過程中,程序可能對構(gòu)建的實體模型不能生成網(wǎng)格,特別是對于通過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)格時更是經(jīng)常的事情。因此在實體建模時必須考慮所構(gòu)建的實體是否能成功地掃掠網(wǎng)格。一個實體中下列情況成立則不能進行掃掠:(1)體的一個或多個側(cè)表面包含多于一個環(huán),換句話說,側(cè)面有孔。(2)體包含多于一個殼;即體內(nèi)有內(nèi)腔的情況。(3)體的拓撲中源面與目標面不是相對的面。因此為了達到體掃掠形狀要求,將蝸殼的實體模型做了如圖4的分割處理。并且將葉輪和進口之間對應(yīng)一個葉道的部分分成7個子實體(圖5),那么整個風(fēng)機12個葉道,共有84個子實體(圖6)。然后分別對分割后的蝸殼和進口與葉輪小實體分別劃分網(wǎng)格。因為這樣分割后完全可以通過掃掠的方法對每個分割后的子域生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,通過ANSYS的布爾操作,使每個子域與其相鄰的子域都有公共的面和線,這樣每個子域生成網(wǎng)格時會自動和已生成網(wǎng)格的相鄰子域的網(wǎng)格對接。圖7、圖8分別表示了蝸殼、進口與葉輪流道的網(wǎng)格。當然,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,為避免掃掠過程中的形狀失敗的策略有:①交換源面和目標面:交換后重新激活體掃掠。例如,將A1面為源面而A2面為目標面,如果掃掠失敗了,可將A2作為源面而A1作為目標面再進行嘗試。②選擇不同的源面和目標面:有些體可沿多個方向進行掃掠,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,于是有嚴重錯誤的單元導(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。接著,修改模型中包含差單元的區(qū)域。最后,再用一個掃掠操作對體劃分網(wǎng)格。在模型修改中可以將體分為兩個或多個體,將減少掃掠方向的長度。并試著將出現(xiàn)較差形狀單元的區(qū)域的體拆分,對每個分開體執(zhí)行掃掠操作。④如果差單元在目標面的細長域內(nèi)伸展,而且前面的對策也不起作用,清除網(wǎng)格然后進行線的光滑處理,然后再進行體的掃掠操作。根據(jù)上面的實體建模和網(wǎng)格劃分對策,建立了一個離心風(fēng)機的計算模型,為了更清楚的看到蝸殼和葉輪,將其分開顯示。整個模型的單元數(shù)為159876,這個數(shù)量網(wǎng)格的計算模型,一般的PC完全能擔(dān)負其計算分析工作。四、流道及網(wǎng)格設(shè)置當然用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)該將整個計算模型的網(wǎng)格分為4個部分輸出,由于在CFD軟件中不可能將各個計算工作任務(wù)的網(wǎng)格合并,這就要求這4個部門的單元和節(jié)點的編號必須是連續(xù)的,在ANSYS中輸出網(wǎng)格時必須計算出前面輸出單元和節(jié)點的數(shù)量,然后再根據(jù)這個值設(shè)置一個即將輸出部分單元和節(jié)點的起始編號才能順利的將節(jié)點和單元導(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),同時也是為了后處理中能更清楚地看到各個部分的流動狀況,因為葉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,如果不分開顯示,后處理中葉輪內(nèi)部的三維流場顯示就很困難。另外更重要的一點是,在ANSYS中蝸殼部分的網(wǎng)格和進口與葉輪部分的網(wǎng)格是分開劃分的,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)格對接起來,這就是為什么在葉輪的出口處有一個圓環(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)格對接起來,因為葉輪部分的網(wǎng)格是旋轉(zhuǎn)運動的網(wǎng)格,而蝸殼的網(wǎng)格是靜止的,這樣的兩種網(wǎng)格是不能做對接處理的,所以只有在ANSYS中加一個這樣圓環(huán)狀的起過渡作用的子域網(wǎng)格,這部分網(wǎng)格在ANSYS中劃分網(wǎng)格時,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軟件中的無需做任何處理。五、u3000試驗結(jié)果圖9為本例生成的計算網(wǎng)格在商用CFD軟件中求解后的結(jié)果。該模型是一個5號離心通風(fēng)機。該計算