干货！资深专家谈CFD应用-CFD如何在叶轮机机械产品设计中发挥更大的价值
2004年博士毕业于西安交大，毕业后在多家全球500强跨国企业从事仿真应用工作，目前为GE Grid Solution Technology Center的仿真负责人。
通常，认识和研究流体流动规律的方法主要有三种：理论分析、实验研究和数值模拟。
理论分析是最早最基本的研究方法，它可以深入认识现象的本质规律，其结果带有普遍性，各种影响因素清晰可见，同时它为检验数值计算的准确程度提供了比较依据；
实验研究是研究流体流动的最基本的研究方法，它通过对产品模型进行测试分析，能综合考虑影响流动的各种因素，结果客观可靠。但实验研究常受到一定的限制（如设备与运行的费用，实验的条件等）。
数值计算方法正具有成本低及能模拟复杂或较理想的工况等优点，它可以拓宽实验研究的范围，减少实验的工作量。从某种意义上说，在特定参数下用计算机进行一次数值计算相当于进行一次实验。
随着计算机水平的发展及计算方法技术的提高，数值模拟方法在越来越多的领域正发挥其独特的作用。自1981年英国的CHAM公司推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS以后，迅速在国际软件业形成了通称为CFD（Computational Fluid Dynamics）的软件产业市场，其它的求解流动与传热问题的商业软件，如FLUENT、STAR-CD、CFX、NUMECA等先后相继问世。
到今天，全世界已经约有50余种这样的流动与传热计算的商业软件。一般来讲，商业CFD软件有以下几个特征：
软件中包含大量算例并有足够文件系统帮助用户熟悉、操作该软件；
软件有灵活的前处理及完善的后处理系统；
软件有方便的模块接口及完备的错误防止措施；
软件中尽可能采用公认先进的数值方法，并采用公认可靠的试验数据验证。
商业CFD软件的上述特征使得其在世界范围内迅速得到广泛地应用，尤其是CFD软件的二次开发功能可以使得厂家在原有软件功能基础上开发出更加适合自己生产需要的功能。通常CFD计算会分为如下几个步骤：
模型简化及网格化分
设置边界条件及求解
后处理
在模型简化阶段，重点是了解CFD计算的目的及客户所想达到的预期。这个阶段要和客户进行详尽的沟通，了解客户真正关心所在。同样一个模型，根据客户关心侧重点不同，模型简化方法可能差别很大，从而会影响到整个CFD计算速度和成本。对于那些会影响到客户关心的结构，要尽可能保留细节，尽量做到和实际情况一致。而对那些客户不关心的区域，则可以做些大的简化以达到减少网格数量，提高计算效率的目的。
如上所言，CFD作为理论分析和实验研究之外的一个重要工具，在当今产品设计中发挥着越来越重要的作用。很多公司都引入了各种商业软件来帮助改进自己的产品性能，将CFD的功能发挥到了最大化。
透平压缩机和鼓风机的新产品开发过程中，关键技术之一就是基本压缩级的设计。开发一个新产品，首先要设计出与之相对应的基本模型级，其中包括叶轮，扩压器，回流器，涡壳等的设计。
在正式应用到实际产品之前，有必要对基本级的实际性能进行考核，即通过试验来确认基本级的实际性能。如果试验结果失败，则要重新进行设计，直到设计出的模型级试验成功。该过程如下图所示。
其中试验验证过程对厂家来讲即费时间又要花费大量的人力、物力，是模型级设计过程中比较关键的步骤。
为了将这个过程的花费降至最低，我们可以首先用先进的商业CFD软件进行基本级的性能预测和流动元件的设计分析，包括流动分析和应力分析，在完成所有的基本级的设计之后，再使用三维粘性CFD软件对设计出的模型级进行数值模拟，分析其性能曲线及性能参数，并将其与设计参数进行比较，如果数值模拟结果与设计结果符合良好，表明该模型级初步满足设计需要；否则对模型级进行重新修改。
只有当设计参数与数值模拟参数比较一致时，再对模型级进行试验做进一步的验证。并根据试验结果，对该系列中的其它基本级进行修正，得到一个实用的、可靠的模型基本级。这样不仅可以使新开发的基本级得到可靠的性能，也会省下一笔费用，并缩短开发周期。如果再配以全三维粘性分析软件对设计出的模型级进行三维分析，并将分析结果与设计结果进行比较，从而通过分析结果来进一步修正模型级的设计。
下文模型级设计采用NREC系列软件，它是NREC公司生产的用于透平机械设计分析和加工用软件，其中用于产品设计的软件模块有PREDIG和COMIG。PREDIG是用来进行气动性能预测的；COMIG是用于叶片详细设计的程序，又可以分为叶片造型SPECIG、流场分析BANIG两个子模块。
NREC系列软件采用S1/S2流面迭带的势流分析方法，叶片设计时给定叶片表面的载荷分布类型及气流角分布等参数，然后沿软件流程进行即可以初步设计出叶片子午流道及S1平均流面。叶片造型中最难于确定的就是每条叶片线元的空间位置，实际上这也就是在确定叶片的空间扭曲程度。叶片的边界和运行条件参数均可以直接由性能预测当中的结果直接读取过来。线元的多少，线元的位置就由设计者来构造了。只要几何造型满足收敛条件，均可以得到你所构造出的三元叶片，程序自动生成流场分析所需的叶轮几何数据，并且可以直观地观察到叶片的三维实体模型。图2为使用NREC软件成功设计的一个典型半开式叶轮，其给定的设计条件如下：
对于设计出的叶片，接下来可以进行性能预测。流场分析的计算结果受叶片节点矩阵均匀程度的影响，如果节点矩阵非均匀程度大，往往出现致命的错误信息，程序终止执行，得不到流场分析的结果。所以在进行流场分析的时候，S1流面的间距和S2流面的间距尽可能接近，意即形成一个均匀的空间流场网格单元。如果流场分析的结果不符合气动参数分布准则，则是叶片设计不合理，必须重新进行叶片SPECIG的设计，直到BANIG计算结果合理，这样在SPECIG和BANIG这两个模块间构成了一个设计循环。
而使用PREDIG模块对设计出的叶轮做性能预测时，只需要给出叶轮的进出口边界的几何尺寸，进出口角，以及叶片的负载形式，并未考虑叶轮内流场分布的详细情况，所以在做产品设计时，不能孤立地应用PREDIG和COMIG，要将两者有效的结合起来，根据流场的实际分布结果调整损失系数和滑移系数。如果有的设计无法得到理想的流场分布结果，在做性能预测的时候，叶片负载损失系数应该相应的加大。否则，性能分析的结果将会有较大的偏差。PREDIG和COMIG这两个程序由于能够完成各种流动元件组合情况的压缩机基本级的性能预测和设计，适用的范围很宽，因此目前世界上很多压缩机制造厂家均选用NREC的设计和加工程序，由于NREC公司有效地将当今压缩机设计思想和计算机应用技术结合在一起，因而代表了当今世界透平压缩机领域内的水准。
在使用NREC软件设计出叶轮后，就可以使用CFD软件对设计出的模型级进行三维粘性数值分析，并将数值模拟结果与设计值进行比较。这里使用的商业CFD软件采用求解时均N－S方程，对旋转叶轮机械内部定常、非定常，可压缩、不可压缩紊流流动进行高精度的数值分析。其三元粘性流场的数值模拟技术为设计者提供了快捷、可靠的分析工具，对模型级开发具有重要的意义。
在网格自动生成模块，通过设置模型级流动方向、翼展方向、跨叶片方向的网格数，调整与生成网格质量有关的参数，即可生成单个通道的网格。图3给出了某模型级网格，其中模型级中的半开式叶轮及叶片扩压器均由NREC软件设计完成。该模型级中叶轮在流动方向、翼展方向、跨叶片方向分别取值163、41、49，网格数目约为35万左右；叶片扩压器在流动方向、翼展方向、跨叶片方向则分别取值131、41、33，网格数约18万左右，模型级网格数目共53万。
网格生成后，我们就可以进行模型级的三维粘性流场数值模拟，分析模型级的性能曲线及流道内速度、压力场等的分布，并将结果与设计值进行比较。一般来讲，CFD计算收敛的准则如下：
残差小于-6的数量级；
模型级进出口质量流量误差小于0.1%
当满足上述两个条件时，我们可以认为该模型级内部三维粘性流场数值模拟计算迭带收敛。计算时采用隐式残差平均法和三层完全多重网格技术以节省计算时间与迭代次数。
计算完成后，将数值模拟出的模型级性能曲线和设计曲线进行对比比较，分析其差别。如果差别满足工程实际需要，模型级大体设计即可完成。如果差别较大，则要返回模型级软件的设计模块，根据三维粘性流场计算结果及流道内部流动分布规律来重新指导模型级的再设计。如此反复迭带，直到设计出的模型级经过性能预测及三维粘性流场分析均满足设计要求，此时可认为模型级设计完成。图4给出的是该模型级设计性能曲线及CFD数值模拟性能曲线比较图。从图中我们可以看出数值模拟的性能曲线与设计的性能曲线基本一致，最大误差小于2%，可以满足工程实际需要。图5则给出了CFD模拟的一压缩机模型级级内速度场示意图，我们可以根据模拟的结果来分析模型级中流场不好或者恶化的地方，再针对性地对其进行优化，从而提高模型级的性能。
本文根据作者的部分实际经验介绍了产品设计及CFD商业软件在模型级设计中的应用，为实际模型级的设计提供了一条新的途径。日前,CFD研究的主要问题是计算程序的稳定性,分析真实流体的复杂流动状况的能力和复杂几何形状周围流动状况的能力以及计算误差和解的分辨率等。在离心叶轮机械领域,CFD正成为预测压缩机性能及了解叶轮机械内部三维复杂粘性流场的有力工具。它正逐渐被应用于压缩机模型级的设计开发中。此外，由于模型级试验中取得整个流场任意一点处的流动状况非常难,在某些情况下,当CFD求解精度足够时,CFD数值模拟可以提供整个计算域上的流场结构特征的详细信息。只要应用适当,CFD能够显著地减少模型级试验次数、设计成本,缩短开发周期。由于目前所分析叶轮机械的细节部位越来越复杂以及所需要求解的问题本身的复杂程度高,CFD软件对网格要求、算法精度等都提出了比较高的挑战。但随着计算机硬件技术和计算流体软件技术的发展,CFD必将会满足日益增长的空气动力学设计的需要。
作者相信，本文中提到的方法可以有效开发模型级，进行模型级三维流场数值模拟，评估三维流场特性，优化设计流体机械部件，最大限度地纠正研发中的偏差，缩短研发周期，提高研发模型级的成功率，降低模型级设计中开发成本。
参考文献
[1]陶文铨，数值传热学，西安交通大学出版社，1988
[2]陶文铨，计算传热学的近代进展，科学出版社，北京，2001
文章来源：南京安世亚太
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