NUMECA使用准则V1.0.doc

I尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.NUMECA使用准则V1.0尤迈克（北京）流体工程技术有限公司编写2008年3月KIJiIKbI尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.一. 计算域的设定及几何一致性3二. 网格质量相关性4三. 边界条件设置5四. 收敛判别标准5五. 流场特征分析基础6六. 文件夹管理标准化8附：4个标准化计算和检查文件8附录1：文件管理布局9附录2：叶片网格生成流程图1011附录3：计算设置检查流程图北京市海淀区中关村南大街9号1306房间,邮编：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page页码：10/11No：#/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd..计算域的设定及几何一致性€为了保证数值计算结果的准确性与可信度，几何一致性就显得至关重要。

在准备几何数据，提取几何完成之后，在IGG中测量检查叶轮几何文件（*.geomturbo和蜗壳几何文件（*.小8七）尺寸与原始二维/三维AD图纸相一致，下一步的网格划分就是对现有几何空间的离散化以，此来控制数值模拟误差的几何误差部分一般地，几何数据可通过三种途径获得：CAD文件、数据文件或加工图纸、如果是CAD文件，则要在CAD软件中仅选中与流动部分（如叶片，流道内侧的几何、蜗壳内侧的几何等）相关的几何线或面，输出为UMECA软件可辩认的格式（如IGES、arasolidCatia等格式）当把这些文件输入到IGG或IGG/Autogrid中时，首先要查对是否有线或面遗漏在确认都正确的前提下，再开始制做网格如果是加工图纸或数据文件，就要通过IGG（如果几何比较简单）或任意CAD软件把加工图纸转换成CAD文件，再重复上面的工作如果只做叶片流道部分的数值模拟，那么加工图纸或数据文件给出的只是叶型和子午流道的几何，这样就可把加工图纸转换成数据文件，并写成IGG可辩认的格式，直接读入到IGG/Autogrid中读入以后，也要先认真检查叶片和流道的几何是否正确，特别是叶片的安装角是否正确，叶轮转向是否正确，叶轮进口为Z轴正方向等。

还要注意叶片在轴向的安装位置是否正确叶片排之间的周向位置尽量重合，对计算结果没有任何影响，但方便在后处理中对流场结果进行对比分析如果几何数据点比较少，需要在几何曲率较大的区域增加若干控制点，以保证曲线或曲面的连续光滑有时设计给出的数据在叶片前后缘没有导圆，那么在制做网格以前首先要在IGG或CAD软件中进行导圆在导圆时要按照设计的要求，或者保证弦长、或者保证前后缘的安装位置€为了实现与试验得到的性能结果的可对比性，计算域的选取是至为关键的如果要与实验数据进行比较，建议选择与实验段相对应的计算域在设置计算边界条件时，特别是入口条件时，要考虑计算与前部的流动历程，如速度、气北京市海淀区中关村南大街9号1306房间,邮编：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page页码：3/11No：#/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.流方同、以及总压等的分布特别地，对于压气机部分，进口条件比较好取：如果计算域设置在压气机的入口，就直接按照均匀的大气条件给定总温，总压和轴向进气条件；如果计算域的入口设在叶轮前缘不远的上游，那么在设置总压和气流方向时最好要考虑内外环壁边界层的影响，比如可按照指数率给出其分布，边界层厚度可去1〜10mm（与入口面的轴向位置有关，越靠近叶片前缘，厚度越大）。

对于气流方向，可按照内外环壁的曲率给出分布对于涡轮，计算域入口最好的选中进气蜗壳的入口，这里的气流均匀，总压、总温和气流方向均容易确定但有时或者由于计算资源的限制、或者关心的重点是叶轮部分，需要把入口边界设置在叶轮的上游，这时边界条件就比较难以准确的给出近似的办法是：可按照蜗壳或导叶出口的条件（特别是气流角）来给出这时在分析计算结果时，要考虑由于入口边界条件所可能带来的误差对于计算域出口和转静子面，这个位置尽量放置在流场已充分掺混均匀的位置，但要确信在出口处流动不会发生大尺度的回流如果可能有回流发生，就要把出口的位置适当地向下游延伸例如：压气机的转静子面设置在无叶扩压器的中段（叶轮尾缘与蜗壳进口的中点）为了叶轮出口射流尾迹区的充分掺混，涡轮的出口位置距离叶片尾缘至少1.5倍叶高的尺寸在FINE/Turbo软件中，宏观物理量采用的是质量平均的数据处理方式，在一些实验中采用面积平均的数据处理方式，避免数据处理的不同方式来进行数值计算和试验结果的错误对比二. 网格质量相关性CFD数值模拟的可信度主要取决于求解器的精度的数值精度（如离散格式和计算方法）在给定求解器的条件下，其计算精度和收敛速度在很大程度上依赖于网格的质量。

所以，可以说网格质量很大程度上决定着求解器的数值误差部分具体准则如下：2.1．网格不能存在负网格，否则计算无法进行2.2．原则上，最小正交性角度越接近90°越好；最大网格长宽比越接近1越好；最大网格延展比越接近1越好但由于边界层、激波和尾迹等的存在，以及几何的复杂性，实际上很难得到三者兼得的网格质量，所以一般推荐：jFkijfk最小网格正交性角度＞10°最大网格长宽比＜5000最大网格延展比＜102.3．应当尽可能地提高网格质量，以避免不必要的数值误差2.4．对于网格正交性而言，在某些算例中，可能甚至会出现角度小于1的情况但一般而言，只要不存在负网格，计算就可以进行但收敛速度会放慢，收敛曲线会剧烈振荡，CFL数不能太大（小于2）如果这时整体性能收敛很好,那么由网格引起的误差只是局部性的，因此计算结果可以接收2.5.对于延展比，不仅要考虑计算区块内部的网格分布，也要考虑块与块直接连接处的延展比2.6．导入原始几何文件，检查网格边界是否与原始几何完全重合，再次保证计算域的正确性三. 边界条件设置当计算软件和网格确定以后，计算结果将紧密地与边界条件相关因此，边界条件一定要按照物理的实际来给定。

对于进出口条件，在第一节“计算域的设定及几何一致性”中已经做了部分说明对于进口处的具体数值（总压、总温和气流角），要按照实际实验或设计数据给出在给定出口边界条件时（压力条件或流量条件），一定要牢记：任何旋转机械均是在一定的工作范围内（如流量范围）运行的，因此给定的值不能超出这个范围一般地对于压缩机，建议先从堵塞流量点附近算起，然后再逐渐减少流量或提高背压固壁边界条件：对于不可压流体的效率计算，需要输出扭矩和轴向力的计算结果时，应采用区域定义转速方式，并设置TORR专家参数为1.四. 收敛判别标准残差——是迭代过程中各个基本方程（连续方程、动量方程、能量方程和湍流量输运方程等）是否趋于稳定（收敛）的重要评估参数计算域内的最大残差或者RSM残差的大小直接反应了收敛精度一般地将，残差越小越好由于存在数值精度问题，不可能得到理想的0残差，对于单精度计算的机器，残差一般应该低于1e-06以下为好，这时的计算可以认为是完全收敛只有在完全收敛的条件下才可相信计算所获得的结果但对于流动分离严重的计算条件或工况（如小流量工况区、或者较差的网格质量等情况还是要具体问题具体分析4.1．全局残差：建议全局残差下降六个量级以上。

但如果实际流动中存在大范围的分离、或低的网格质量等，残差降到三个量价一下也可认为收敛，满足工程精度4.2．各块中残差：由于各块中网格质量以及流动特性的不同，每一块中的残差下降幅度也会不同但仍然推荐计算中,每一块中的残差下降五个量级以上如果某个块区的流动复杂，残差在三个量价以下不再下降，也可认为收敛了4.3．总体性能（进出口流量、压比、效率、功率、扭矩和升力等）：收敛准则中最重要的一个参数一般地讲，这些总体特性参数要比计算残差容易收敛这些量的收敛表面总体特性已经稳定，残差收敛表面流动细节达到稳定建议进出口流量相对误差小于0.5%，且流量不再发生变化对于有大分离涡的流动（尤其在进出口处），流量收敛曲线会发生振荡，此时由于迭代中分离涡的位置和强度都会发生不同程度的变化，呈现非定常特性，因此流量也会随之发生变化（但这种变化近似为周期性）在这种情况下，也可认为计算收敛，或曰：振荡收敛在有些情况下，效率的收敛要慢一些，因为效率直接与流动损失即流动细节相关，如果要进行效率的京西比较，就要在其它总体性能和残差都收敛后在都计算若干步，实现效率曲线的收敛4.4．流场当地值：计算迭代收敛时，流场每一点处的参数值不应当再发生变化，或者对于有分离涡的情况，涡内某一点的参数应当为周期性变化。

用户可以在FINE介面中跟踪某一特性点的参数，并观察其变化参数4.5．总体参数：对于定常计算,所有的总体性能（效率、扭矩、推力等）都应当变为恒定值，不再随迭代步数而发生变化对于有大分离的情况，这些参数则会呈现周期性变化这两种情况下都可认为计算收敛对于非定常计算，所有的参数都应当呈现近似周期性变化五. 流场特征分析基础在保证计算域设定、几何一致性、网格质量、边界条件正确的基础上，进行CFD求解过程在判别达到收敛标准后，开始进行CFD后处理工作我们不但要得到产品的宏观性能，而且要从流场特征中分析判断其产生原因和对流动的影响，以提供产品优化改型的依据流场的分析包括S1流面（叶片到叶片截面）北京市海淀区中关村南大街9号1306房间,邮编：100081日期：2008年3月30日Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30Page页码：3/11No：#/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGluidEngineeringCo.Ltd.分析，可通过CFView截取不同叶高的截面，常常关心的截面有中叶高截面和靠近内环壁（hub,如10%叶高）和靠近外环壁（shroud,如90%叶高）；S2截面分析，包括流道中央截面和靠近叶片吸力面和压力面的截面；固体壁面分析，包括内外环壁面和叶片表面；周向平均分析；以及笛卡尔图分析等。

在这些面上可以分析等值线（或云图），或流线，或速度矢量图下面以几个例子予以说明：1•从某叶高截面（S1面）的相对速度（相对马赫数）或相对总压云图上分析叶片到叶片的流动1）设计流量下的相对速度矢量图，如图1所示从叶片前缘前方的流线或速度矢量可定性地看出气流冲角，或来流与叶片中弧线在前缘处切线（或进口几何角）的夹角图中所示的冲角近似为0度如果要知道准确的角度值，可通过在这个截面上做气流角的云图获得2）叶片表面的边界层流动情况（包括边界层的厚度，是否发生边界层分离，这些都与翼型损失有关），可通过S1面的相对速度、或相对马赫数、或熵等的云图观察如图2和3所示图2中的低马赫数区域和图3中的高熵值区域均对应着局部边界层损失大2•子午平均的参数分布这显示了流道内周向质量平均量的变化规律对于工程师来说，也非常重要例如图4和图5分布给出了压气机子午平均相对速度矢量图和速度流线和熵增云图由图4中的流线。