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带分流叶片离心压力机算例教程

NUMECA FINE/Turbo?6.x 旋转机械培训教程

带分流叶片离心压气机叶轮

培训内容

带分流叶片离心压气机叶轮

AutoGrid?网格生成………………………..Page 2

FINE?计算设定……………………………Page 22 CFView?结果处理………………………..Page 45

第一部分：AutoGrid?

带分流叶片离心压气机网格生成

操作及示例

网格生成步骤

Step 2 : 进入AutoGrid软件介面

Step 3 : 叶片几何定义

?端壁定义

?叶片压力面吸力面定义

?分流叶片压力面吸力面定义

Step 5: 子午通道控制

?端壁几何控制点数

?根部及顶部间隙

Step 6 : 根部和顶部叶片-叶片网格控制

Blade-to-Blade网格的生成

Yes

OK?

Step 4 : 定义网格拓扑结构

?H,-I / HOH 网格结构

?钝前缘/尾缘设定

?分流叶片设定

?封头结构

?螺旋桨结构

Step 7 : 三维网格生成

?三维网格的生成

?负网格检测

?网格质量评测(正交性, 长宽比, 延展比)

?边界类型设定

Step 8 : 保存网格模板文件及网格文件

Step 1 : 准备几何数据(Geomturbo文件或者在IGG中生成几何文件）

Step 1:准备几何数据

几何数据的准备有两种方法，一种是通过AutoGrid 专用的几何文件格式准备为GeomTurbo 文件，这种方法在NACA-Rotor37的教程中已经提及，另外一种方法是通过IGG?来创建相应的几何面。以下介绍第二中方法。在进行网格生成之前，已知的几何结构和几何文件如下：

a. 叶片数26（13个长叶片，13个短叶片）

b.长叶片和短叶片分别两个截面的叶型数据（离散点格式，每个截面按照压力面和吸力面数据分别给出。文件名分别为：PS_1.dat 、PS_2.dat 、SS_1.dat 、SS_2.dat 、Splitter_PS_1.dat 、Splitter_PS_2.dat 、Splitter_SS_1.dat 、Splitter_SS_2.dat ）

c.端壁型线（Hub.dat 、Shrou

d.dat ）几何数据的准备有两种方法，一种是通过AutoGrid 专用的几何文件格式准备为GeomTurbo 文件，这种方法在NACA-Rotor37的教程中已经提及，另外一种方法是通过IGG?来创建相应的几何面。以下介绍第二中方法。在进行网格生成之前，已知的几何结构和几何文件如下：a. 叶片数26（13个长叶片，13个短叶片）b.长叶片和短叶片分别两个截面的叶型数据（离散点格式，每个截面按照压力面和吸力面数据分别给出。文件名分别为：PS_1.dat 、PS_2.dat 、SS_1.dat 、SS_2.dat 、Splitter_PS_1.dat 、Splitter_PS_2.dat 、Splitter_SS_1.dat 、Splitter_SS_2.dat ）c.端壁型线（Hub.dat 、

Shroud.dat ）1.运行IGG

2.逐一调入相应的几何数据(Gemoetry ?Import ?IGG Data)

1.运行IGG

2.逐一调入相应的几何数据(Gemoetry ?Import ?IGG Data)将长短叶片的所有截面调入IGG 中

*注：调入之后需查看每条线的方向(鼠标点击黑色窗口，激活选

线模式（请参阅如何激活选线模式页面），并用Geometry ?View ?Curve Orientation （快捷键Ctrl+o ）,查看线的方向。务必确保每一条线的方向都是从进口到出口方向！如果发现有方向不对的线，可以用鼠标仅点选该线条(绿色为选中，青色为未选中）,并用Geometry ?Modify Curve ?Reverse 工具将该线反向。应保证叶片不同截面的型线控制点数和分布尽可能相同或相近，这样可以减小或消除几何上的误差。每一个数据文件的第一行皆对应了该线的名称，该名称在该线被调入IGG 后会体现出来。如果有两个数据的第一行相同，则在调入IGG 时，会出现右图所示问题，此时需选择“AutoRenam”，则IGG 会对其进行重新命名。

箭头方向指示所有线方向都从叶轮进口到出口方向

Step 1:准备几何数据(续)

3. 将截面型线形成面，用于作为AutoGrid 中的压力面或者吸力面

3. 将截面型线形成面，用于作为AutoGrid 中的压力面或者吸力面如右图所示，首先选择(IGG 窗口，点击鼠标右键，选择“Select Curves”，并用鼠标左键逐一点选) 长叶片的两条边（必须先选根部截面型线，后选顶部截面型线，否则网格生成无法进行），然后点击左侧快捷工具栏中的展开式按钮“Geometry”?Surface ?Lofted ，则之后在IGG 窗口激活选面模式（请参阅如何激活选面模式页面），则当鼠标移动至该面的位置时，面会呈现出红色的网状面。

选中该面（鼠标点击后面呈红色则被选中，面呈蓝色则被取消选择），并输出（Geometry ?Export ?Geometry Selection ）为PS.dat （或其它名称）作为网格生成中需要用到的长叶片压力面。以同样方法将长叶片吸力面以及分流叶片的压力面和吸力面分别输出为SS.dat ，Splitter_PS.dat ，Splitter_SS.dat 。

如右图所示，首先选择(IGG 窗口，点击鼠标右键，选择“Select Curves”，并用鼠标左键逐一点选) 长叶片的两条边（必须先选根部截面型线，后选顶部截面型线，否则网格生成无法进行），然后点击左侧快捷工具栏中的展开式按钮“Geometry”?Surface ?Lofted ，则之后在IGG 窗口激活选面模式（请参阅如何激活选面模式页面），则当鼠标移动至该面的位置时，面会呈现出红色的网状面。选中该面（鼠标点击后面呈红色则被选中，面呈蓝色则被取消选择），并输出（Geometry ?Export ?Geometry Selection ）为PS.dat （或其它名称）作为网格生成中需要用到的长叶片压力面。以同样方法将长叶片吸力面以及分流叶片的压力面和吸力面分别输出为SS.dat ，Splitter_PS.dat ，Splitter_SS.dat 。按顺序选择线（根部?顶部）面被选中

输出为PS.dat

输出为SS.dat

输出为Splitter_PS.dat

激活选线模式：

激活选线模式：在IGG 中，线的选择模式可以通过以下几种方法激活：1. 下拉式菜单Geometry ?Select ?Curve 2. 快捷键“s”（IGG 中区分大小写，在按下s 之前，请确认CAPSLOCK 键未被激活3. 在IGG 窗口的空白处，点击鼠标右键，弹出式菜单中点击“Select Curves”当选线模式被激活时，则IGG 窗口下侧会出现黄色提示文字，如下图示：

在IGG 中，线的选择模式可以通过以下几种方法激活：1. 下拉式菜单Geometry ?Select ?Curve 2. 快捷键“s”（IGG 中区分大小写，在按下s 之前，请确认CAPSLOCK 键未被激活3. 在IGG 窗口的空白处，点击鼠标右键，弹出式菜单中点击“Select Curves”当选线模式被激活时，则IGG 窗口下侧会出现黄色提示文字，如下图示：*在选线模式下，用户可以通过鼠标点选相应的线。此时，在线上点击鼠标后，如果线的颜色为绿色，则代表该线被选中；如果线为青色，则代表该线被取消选择。

*在选线模式下，用户可以连续选择/取消选择多条线。选线完毕后，点击鼠标右键释放选线功能，则IGG 底部的提示文字消失。

*在选线模式下，按下小写字母“a”可全部选择或全部取消选择所有显示的线，每按一次a ，则全部线的被选状态全部发生改变。

激活选面模式：

激活选面模式：在IGG 中，线的选择模式可以通过以下几种方法激活：1. 下拉式菜单Geometry ?Select ?Surfaces 2. 快捷键“Ctrl + s”（IGG 中区分大小写，在按下s 之前，请确认CAPSLOCK 键未被激活3. 在IGG 窗口的空白处，点击鼠标右键，弹出式菜单中点击“Select Surfaces”当选面模式被激活时，则IGG 窗口下侧会出现黄色提示文字，如下图示：

在IGG 中，线的选择模式可以通过以下几种方法激活：1. 下拉式菜单Geometry ?Select ?Surfaces 2. 快捷键“Ctrl + s”（IGG 中区分大小写，在按下s 之前，请确认CAPSLOCK 键未被激活3. 在IGG 窗口的空白处，点击鼠标右键，弹出式菜单中点击“Select Surfaces”当选面模式被激活时，则IGG 窗口下侧会出现黄色提示文字，如下图示：*在选面模式下，用户可以通过鼠标点选相应的面。此时，在面上点击鼠标后，如果线的颜色为红色网状，则代表该面被选中；如果线为蓝色网状，则代表该面被取消选择。

*在选面模式下，用户可以连续选择/取消选择多个面。选面完毕后，点击鼠标右键释放选线功能，则IGG 底部的提示文字消失。

*在选面模式下，按下小写字母“a”可全部选择或全部取消选择所有显示的面，每按一次a ，则全部面的被选状态全部发生改变。

Step 2:进入AutoGrid 通过IGG界面切换至AutoGrid网格生成窗口:

建立新模板

进入AutoGrid后，其默认的模板形式是不带分流

叶片的。因此，要进行带分流叶片离心压气机叶

轮的网格生成，必须新建一个模板，选项中选择“Mesh With Splitter Blade”

Step 3:叶片几何定义

1. 激活“Geometry & Topology Definition”窗口

完成新建模板操作后，该窗口会自动出现。也可通过“Setup”按钮激活。

2. 子午通道定义(Hub & Shroud)

通过点击“Geometry Definition”前面的黄色按钮，可以展开该选项，其中包

括了端壁、压力面和吸力面的指定

Hub线指定：首先选中Hub，点击“From Data File”，选择hub.dat文件

Shroud线指定：首先选中Hub，点击“From Data File”，选择Shroud.dat文件

指定Hub和Shroud后

AutoGrid中Meridional窗

口出现子午通道形状

3. 长叶片压力面(Pressure Side)和吸力面(Suction Side)定义

压力面指定：首先选中Blade Definition中的“Pressure Side”选项，点击

“From Data File”，选择PS.dat文件（Page 5中所输出的文件名）

吸力面指定：选中Blade Definition中的“Suction Side”选项，点击“From Data File”，选择SS.dat文件（Page 5中所输出的文件名）

4. 短叶片压力面(Pressure Side)和吸力面(Suction Side)定义

指定方法通3。在指定时，需分别选中“Splitter Definition”中的Pressure Side 或者Suction Side。

全部指定后AutoGrid窗口中的“XYZ”窗口出现长短叶片

5. 压力面及吸力面延伸

为什么要进行压力面及吸力面延伸？网格生成时，要求叶片的根部截面和顶部截面应当位于子午通道之外，由于给定的叶片数据不满足这个要求，因此需要进行延伸。延伸时，AutoGrid 采用外插方法将叶片进行拓展。如果原始提供的叶型数据已经满足这种要求，则无需再进行这个操作。

操作方法：激活Surface Edit 菜单，依次在Blade 和Splitter 的“Hub”和“Shroud”文本框中输入0.05。

对Blade 和Splitter 进行延伸，Hub 和Shroud 对应的文本框中设为0.05，意为根部和顶部皆向外延伸0.05倍的叶高。

端壁

叶片顶部截面

当叶片的压力面和吸力面与子午通道线没有交线时，需要对叶片进行延伸

6. 叶片数定义

用户需要定义叶片数目以确定栅据以及相应的周期性。该叶轮共包含13只

长叶片和13只短叶片，由于同时生成分流叶片相邻两个通道中的网格，因

此叶片数目设定为13。

输入方法：激活“Geometry Characteristics”菜单，在“Number of Blade”文本

框中输入13。

AutoGrid根据用户指定的几何文件，可以自动探测所生成的叶片前后缘形

式是钝头还是封闭的。对于本算立，由于长短叶片前缘皆为封闭圆头，而

尾缘皆为钝头结构，因此自动测定出“Blunt Trailin Edge”。一旦AutoGrid自

动测出Blunt形式的前后缘结构存在，则拓扑结构中，HOH选项消失，此时

仅可使用H-I型网格拓扑结构。

7. 叶轮进出口位置定义

用户需要指定叶轮通道计算域的进出口位置。该位置可根

据用户需求或者根据实际的物理情况进行定义。

定义方法：

a. 鼠标拖动：在Meridional子窗口，移动鼠标至进口或出

口的控制点（四个空心圆）,则屏幕会显示该控制点的名称，

左键点击该点后，可以自由拖动；

b. 精确定位：在控制点出现红色文字名称时，点击鼠标右

键，则会弹出文本框，用户可输入其数值(Z或者R，输入

一个数值后回车，则另一个值会相应变动。

采用上述方法，将进口根部和顶部控制点的Z坐标分别调

整为Z=-120；将出口根部和顶部控制点的R坐标调整为

R=130。如下图所示：

在Geometry页面中，AutoGrid还提供了几何检测

的功能，此功能主要用于检测几何文件的方向、

奇异点的消除(Data Reduction)等。

Data Reduction选项激活后，Tolerance Angle选

项用于删除斜率角变化超过给定值的点；

Tolerance Distance用于消除点距小于给定误差的

点。

Step 4:网格拓扑结构定义

1. 激活“Topology”页面

如果已经关掉了“Geometry & Topology Control”页面，则可再次通过“Setup”按钮弹出。按照下图所示，在相应的数据框中指定数值：

*对于每个方向上的总网格数目，建议采用数

字右侧的箭头来调整。用户也可以按照Σ2n +1的规律来给定(n ≥2)。目的是保证计算时能够使用的多重网格层数。*对于端壁及叶片表面第一层网格的尺度，推荐参照FINE61手册中4-20~21页中的方法来给

定(通过目标Y +来确定第一层网格尺度)*对于展向和周向的均布网格，可取为该方向上的网格总数的一半。对于有间隙结构，则展向均布网格数目可取为(展向总网格数－间隙展向网格数目)/2。

*对于每个方向上的总网格数目，建议采用数字右侧的箭头来调整。用户也可以按照Σ2n

+1的规律来给定(n ≥2)。目的是保证计算时能够使用的多重网格层数。*对于端壁及叶片表面第一层网格的尺度，推荐参照FINE61手册中4-20~21页中的方法来给定(通过目标Y +

来确定第一层网格尺度)*对于展向和周向的均布网格，可取为该方向上的网格总数的一半。对于有间隙结构，则展向均布网格数目可取为(展向总网格数－间隙展向网格数目)/2。25

展向网格数目

周向网格数目(通道1)周向网格数目(通道2)进口延伸段网格数叶片前缘至后缘网格数长叶片尾缘区域周向网格数进口延伸段网格数

短叶片尾缘区域周向网格数

端壁第一层网格尺度

叶片表面第一层网格尺度展向均匀分布网格数目

周向均布网格数目（通道1）周向均布网格数目（通道2）

2. 点击“Next>>”，进入子午通道控制界面

Step 5:子午通道网格控制

1. 间隙设定

从Step 4中点击“Next”后，下图所示界面会自动出现。如果被用户关掉，则可以通过“RZ”按钮激活（下图中红框所示）。激活Tip Clearance 下拉式菜单，点选“On”，依次在文本框中输入前缘处顶部间隙尺寸(0.5)、后缘顶部间隙尺寸(0.5)、间隙中展向网格数(9)以及周向网格数目(9)。

1. 间隙设定从Step 4中点击“Next”后，下图所示界面会自动出现。如果被用户关掉，则可以通过“RZ”按钮激活（下图中红框所示）。激活Tip Clearance 下拉式菜单，点选“On”，依次在文本框中输入前缘处顶部间隙尺寸(0.5)、后缘顶部间隙尺寸(0.5)、间隙中展向网格数(9)以及周向网格数目(9)。*间隙既可以是根部间隙，也可以是顶部间隙，分别对应Hub Clearance 和Tip Clearance 。*间隙的尺寸单位同叶型数据单位相同。本算例实际间隙为0.5mm ，叶型数据单位为毫米，因此对应窗口中间隙值设为0.5，用户在进行其它算例的网格生成时，需额外注意叶型尺寸的单位，这样方可确定应当给定的间隙尺寸的单位究竟是米、厘米还是毫米。

*间隙中展向网格的数目包含在展向总网格数中。本算例中，展向总网格数目微微49，则除去间隙中的9个网格，从叶片根部到叶尖的网格数目为41个(49-9+1)。

*一般而言，对于间隙内的网格，默认的拓扑结构为蝶型网格，此网格结构可以保证圆头结构内的网格质量。用户也可根据需要在间隙内采用匹配网格(激活Try to Make Matching Mesh )，当一般很难获得较高的网格质量。*AutoGrid 中可以支持三种模式来定义间隙

a. 间隙尺寸不变。此时仅需指定前缘和尾缘的间隙尺寸为相同值即可；

b. 间隙尺寸线性变化。此时仅需分别指定前缘和尾缘的间隙尺寸，AutoGrid 会根据这两个尺寸值进行插值确定间隙尺寸的变化规律；

c. 间隙尺寸值是随意的变化形式。此时可通过“Tip Definition”来引入定义间隙根部的

Step 6:叶片-叶片网格控制

1. 网格控制

从Step 5中点击“Next”后，下图所示界面会自动出现。如果“B-B Mesh Control”页面被用户关掉，则可以通过“M θ”按钮激活（下图中红框所示）。此时，即可不做任何修改，直接进行三维网格生成。

1. 网格控制从Step 5中点击“Next”后，下图所示界面会自动出现。如果“B-B Mesh Control”页面被用户关掉，则可以通过“M θ”按钮激活（下图中红框所示）。此时，即可不做任何修改，直接进行三维网格生成。根部B-B 二维网格

顶部B-B 二维网格

三维视图

子午视图

*AutoGrid 4.x 版本采用网格积迭形式生成三维网格。首先生成根部和顶部的二维网格面) Blade to Blade Mesh ，然后通过这两个面上的网格按照一定的规律插值得到中间各个截面的网格，最终生成三维网格。因此根部和顶部的网格分布以及网格质量对于最终的三维网格质量至关重要。

*本步骤首先尝试不对任何Blade to Blade 网格的默认设置进行修改来生成三维网格。*点击“Generate 3D”按钮，进行三维网格的生成。

Step 7:三维网格生成

1. 三维网格生成

从Step 5中点击“Generate”后，会自动弹出确认窗口，点击“Yes”确认三维网格生成。如果“B-B Mesh Control”页面被用户关掉，则可以直接点击“3D”按钮进行网格生成（下图中红框所示）。

此时，即可不做任何修改，直接进行三维网格生成。

1. 三维网格生成从Step 5中点击“Generate”后，会自动弹出确认窗口，点击“Yes”确认三维网格生成。如果“B-B Mesh Control”页面被用户关掉，则可以直接点击“3D”按钮进行网格生成（下图中红框所示）。此时，即可不做任何修改，直接进行三维网格生成。网格生成结束

网格生成结束后会自动弹出以下网格质量检测：

*多重网格的层数一般推荐I/J/K 方向最小的层数不小于2；

*最终生成的网格，不能存在负网格，否则计算无法进行；

*原则上，最小正交性角度越大越好；最大网格长宽比越接近1越好，最大网格延展比越接近于1越好。当实际中，很难达到三者兼得的网格质量。所以一般推荐：

最小网格正交性角度≥5最大网格长宽比<5000最大网格延展比<10

*应当在力所能及的尽可能的提高网格的质量，以避免不必要的数值误差；

*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的现象，但一般而言，只要不存在负网格，计算就可以进行。

多重网格层数I/J/K 单精度检查负网格数目双精度检查负网格数目最小网格正交性角度

最大网格长宽比最大网格延展比

Step 7:三维网格生成(续)

2. 边界条件定义

三维网格生成结束后，AutoGrid 会自动设定边界类型，其中包括：进出口边界、周期性（PER 、PERM ）边界、连续（CON/NMB/FNMB ）边界、固壁（SOL ）边界等。用户打开Grid ?Boundary Condition 页面可以发现网格各个面的边界类型。

2. 边界条件定义三维网格生成结束后，AutoGrid 会自动设定边界类型，其中包括：进出口边界、周期性（PER 、PERM ）边界、连续（CON/NMB/FNMB ）边界、固壁（SOL ）边界等。用户打开Grid ?Boundary Condition 页面可以发现网格各个面的边界类型。*在IGG/AutoGrid 中，支持用户人工设定的边界条件类型包含：

UND ：未定义条件（Und efined ）；

EXT ：远场边界条件（Ext ernal ），用于外流；INL ：进口边界条件（Inl et ）；MIR ：镜像边界条件（Mir ror ）；OUT ：出口边界条件（Out let ）；SNG ：奇线边界条件（S i ng ular ）；SOL ：固壁边界条件（Sol id ）；

ROT ：转静子交界面边界条件（Rot or-Stator ）

FNMB ：完全非匹配边界条件(F ull N on-M atch B oundary)。*在IGG/AutoGrid 中，可自动搜索出的边界条件类型包含：CON ：未定义条件（Con tinious ）；

NMB ：非匹配周期边界（N on-M atching B oundary ）；PER ：匹配皱起边界（Peri odicity ）；

Step 8:存储模板及网格

1. 存储模板文件

模板文件用以记录本次网格生成中所有用到的参数设定。存储后，会产生两个文件：.trb 文件和.geomturbo 文件（AutoGrid 专用数据格式）。用户可以在AUTOGRID 中打开此模板，不用改任何设定，直至最终的网格生成。也可以打开此模板并进行参数设定的修改。模板存储方法：通过菜单File ?Save Template 或者File ?Save Template As…

1. 存储模板文件模板文件用以记录本次网格生成中所有用到的参数设定。存储后，会产生两个文件：.trb 文件和.geomturbo 文件（AutoGrid 专用数据格式）。用户可以在AUTOGRID 中打开此模板，不用改任何设定，直至最终的网格生成。也可以打开此模板并进行参数设定的修改。模板存储方法：通过菜单File ?Save Template 或者File ?Save Template As…

2. 存储网格文件

存储网格文件用以进行流场计算。存储后，会产生四个个文件：.igg 网格文件名.cgns 网格数据文件名.bcs 网格边界类型文件名.geom 网格中几何文件名网格存储方法：通过菜单File ?Save Grid 或者File ?Save Grid As…

2. 存储网格文件存储网格文件用以进行流场计算。存储后，会产生四个个文件：.igg 网格文件名.cgns 网格数据文件名.bcs 网格边界类型文件名.geom 网格中几何文件名网格存储方法：通过菜单File ?Save Grid 或者File ?Save Grid As…如果不再对网格质量进行进一步的改进，则可略过网格调整章节，直接进入FINE 计算设定一节。

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