CFD专栏丨Altair Flow Simulator,来自航空工业的系统级流体仿真


Altair® Flow Simulator


Flow Simulator 最初由GE航空部门开发,用于飞机发动机的二次空气系统分析,后逐步扩展到GE的能源、交通,油气等7个部门,用于系统级快速仿真。2021年Altair公司将其收购,作为 Altair CFD 解决方案的一部分。 


什么是二次空气系统?燃气轮机进行冷却的常用方法是从压气机中抽取部分压缩空气,使其按需要合理的流经燃烧室、叶片、轮盘等高温部件进行冷却和保护,或流入轮盘腔室进行增压、起到密封作用。这样的一个空气系统称作燃气轮机的二次空气系统。




01

流体系统级仿真的应用场景


工业设备存在着大量的流动管网:如飞机发动机的冷却系统,燃烧系统,润滑油系统;新能源车的电池冷却模块,空调管路;燃油车的动力舱冷却系统;天然气,氢气的存储和运输系统;火电、核电站的热力管路等等。


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电厂热力管路系统


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汽车冷却系统


由于这些设备尺寸庞大,部件数量较多,或运行周期相对很长,三维计算无法满足要求。采用一维流动网络,热网络的方法不仅建模效率高,而且通过实验或三维仿真标定,同样可以达到较高的精度。


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航空动力系统


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航空燃油系统



02

Flow Simulator 的分析类型


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03

Flow simulator 的图形界面


用户可以导入图片,用于定位元器件的实际位置,更直观的展示系统布局。

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也可以导入CAD数据,通过识别特征点、线,自动创建管路、弯头、Y管等元器件,提高建模效率。

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后处理可以在每个计算单元上显示温度、压力、流量等云图。瞬态结果也可以显示动画。

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可以采用表格的方式显示各个单元的物理量,描绘曲线。也可采用查询模型,从数百个单元中快速筛选符合条件的结果。

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输入参数也可以云图展示各种变量,如管路长度,直径等等,一目了然。

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丰富的元器件库


  • 元器件按照类型分为Chamber,element,controller和thermal network ;

  • Chamber用于定义边界条件,连接内部的element, 并存储压力,速度,温度信息。

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边界chamber和内部chamber


每个element代表一个标准的元器件,如:泵、阀门、压缩机、风扇、岔管、弯头、密封、轴承、换热器、水箱、气囊等。Vortex是一种特殊的element,用于旋转机械内部的漩涡模拟。


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元器件库


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各种元器件的符号,尺寸标注和流体性能参数


Controller用于在计算过程中改变chamber或element的参数,如下图所示的一个简单流体控制系统:

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Controller7根据Chamber2的压力调整阀门开度


Controller8根据element3的流量调整孔板4的面积


Thermal network定义热网络,并可以和流动网络耦合,如计算长距离输送的热力管路和外界的热交换。

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Cavities 模型


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燃气轮机叶片和盘腔高速旋转,并承受巨大的热负荷。在计算二次空气系统的时候需要考虑旋转效应,才能精确的分析热平衡。Cavities模型将盘腔沿径向分成若干份,利用角动量守恒原理分析旋转机械中的流体速度,压力、温度和流动角度的变化。


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前馈控制器


分析一个压力罐加压到400psi,然后通过阀门泄压到稳定压力所需要的时间。


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前馈控制器Python脚本定义阀门打开条件:

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后处理:时间-流量曲线

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后处理:时间-压力曲线

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PID控制器


燃气轮机透平动叶顶部凹槽的冷却孔流量不均匀,利用PID控制器调节孔径,使得流量接近目标值0.014lb/s。

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叶片气膜冷却

叶片内冷通道


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原设计:2个小孔面积相等,但是冷却流量差33%


2个PID控制器监测出口流量,并自动调节小孔面积。

PID控制器调整结果:小孔面积差别27%,但是流量接近相等。


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换热器模型


  • 动力装置的冷却系统匹配热平衡计算;

  • 可以输入换热器的功率,效率,也可以输入换热器的详细尺寸信息。

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EXCEL集成功能


对于复杂,但是有规律可循的大系统建模,可以利用Excel的宏命令功能,批量创建一维网络,提高建模效率。


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换热器建模的Excel模板


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导入Excel模板,自动创建换热器详细模型



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自定义元器件UDE


尽管Flow Simulator的元器件库已经包含了丰富的管路,泵、阀、控制器等元件,用户任然可以采用Python或Fortran语音定义自己独有的元器件。


例如:自定义流量随着液位高度的变化

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例如:自定义小孔的阻力随流量变化




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例如:自定义泵的性能曲线

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概率分析和DOE


概率分析采用蒙特卡洛法和拉丁超立方法创建设计空间,研究系统输出变量对输入变量的响应,并可以拟合成传递函数。DOE方法则需要用户创建确定的多任务运行清单,一个提交数十、百个计算任务。


例如:在燃气轮机的轮盘冷却模型中,用Probabilistic工具分析上游开孔的面积和角度对下游气流旋度的影响。

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设置小孔的角度、面积的数值上下界限,各自创建20个计算工况:

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提交概率分析任务,并监测收敛情况:

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输入变量,输出变量的参数列表,以及响应曲线:

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拟合传递函数曲线(在这个例子中,二阶拟合函数就达到较高的精度):

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一阶拟合


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二阶拟合


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优化功能


Flow Simulator具有单目标优化功能Goal Seek, 也可以结合HyperStudy实现多学科、多目标的联合优化。


例如:压气机抽气量的计算:用户设定目标流量,Goal Seek自动寻找匹配的管路直径。

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多学科优化工具HyperStudy驱动FlowSimulator进行DOE参数扫描和响应面拟合:

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一维热网络法


通过对流,传导,热辐射元件搭建热网络模拟复杂的传热现象:

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电池包冷却原理图


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电池包实物拆解图


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电池包一维热网络


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换热器实物图



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换热器热网络

(包括空气侧和热流体侧)


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电子设备冷却系统三维模型


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电子设备冷却系统一维模型



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电机实物图

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电机热网络模型



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一维燃烧仿真


集成NASA的化学反应库Chemical Equilibrium with Applications (CEA), 可以模拟燃烧过程的温度压力变化。考虑Rayleigh损失, 从而确定燃烧器的进出口压力和马赫数。

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环形燃烧室三维模型


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环形燃烧室原理图


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仿真结果:燃烧室的温度、压力分布


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精度验证


  • Flow Simulator的计算精度在航空工业中得到广泛的验证。 

  • 密封件的对标:燃气轮机常用的Vermes Seal密封件的泄露量计算,在NASA上千次的实验数据得到验证。

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密封件的尺寸定义



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和NASA实验对比


热网络法对标:和传热学教科书本的理论解对比

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锅炉耐火砖内测是500K的高温,外侧是300K的室温


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耐火砖温度场仿真解接近理论解


压力罐的充放气对标:高压储气罐在阀门的控制下向低压环境排气,计算气体流量和罐内的压力变化(可以考虑气体的焦耳-汤姆孙效应)。


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