NUMECA使用准则V1[1].0

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日页码：1/11Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30PageNo：1/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGFluidEngineeringCo.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日页码：2/11Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30PageNo：2/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGFluidEngineeringCo.Ltd.目录一.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...........................10附录3：计算设置检查流程图...........................11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日页码：3/11Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30PageNo：3/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGFluidEngineeringCo.Ltd.一.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(*.dat)尺寸与原始二维/三维CAD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NUMECA软件可辩认的格式（如IGES、Parasolid、Catia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日页码：4/11Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30PageNo：4/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGFluidEngineeringCo.Ltd.流方向、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：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日页码：5/11Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30PageNo：5/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGFluidEngineeringCo.Ltd.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日页码：6/11Room1306,No.9ZhongguancunSouthStreet,100081BeijingDate：2008-3-30PageNo：6/11尤迈克（北京）流体工程技术有限公司NUMECA-BEIJINGFluidEngineeringCo.Ltd.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