基于ANSYS CFX的鱼雷涡轮机通流流场及性能计算方法

陈 刚, 伊进宝, 师海潮



基于ANSYS CFX的鱼雷涡轮机通流流场及性能计算方法

陈 刚1, 伊进宝2, 师海潮2

(1. 海军装备部驻西安地区军事代表局, 陕西 西安, 710054; 2. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075)

运用计算流体力学(CFD)软件ANSYS CFX对鱼雷涡轮机通流部分流场及性能进行了数值计算, 介绍了CFD技术应用到鱼雷燃气涡轮机通流设计中的一般步骤, 旨在提供一种燃气涡轮机通流部分流场及性能的预测方法, 探索CFD技术在鱼雷燃气涡轮机动力系统设计中的应用途径。研究结果表明, 利用CFD技术计算鱼雷燃气涡轮机通流流场, 预测通流气动性能与试验数据吻合较好。本文的研究成果对鱼雷涡轮机工程研制具有一定的参考价值。

鱼雷涡轮机; ANSYS CFX; 数值仿真

0 引言

随着计算机技术的飞速发展和计算方法的不断完善, 数值仿真作为一种获得鱼雷涡轮机内部复杂流动细节的手段体现出其有效性和优越性, 为研究者们分析涡轮机内部精细流场结构提供了一个强有力的工具。

目前, 在大多数研究机构中, 已把通过计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)技术来优化涡轮机设计作为一个必不可少的手段, CFD已经进入燃气涡轮机气动热力学每个领域, 在流场分析、气动热力学设计、性能分析、发现和验证新的流动现象等方面均发挥着重要作用。使用经过技术验证的全3D粘性流场数值计算软件, 不仅推动了燃气涡轮机气动热力学自身的迅速发展, 而且促进了燃气涡轮机研制的革命性变化, 使其逐渐摆脱了耗资多、周期长、风险大、主要依靠完备实验数据库的传统设计方法, 开始向“预测设计”过渡, 从而使先进涡轮机的研制周期大大缩短[1]。

本文利用CFD软件ANSYS CFX作为平台, 主要介绍了CFD技术应用到鱼雷涡轮机设计中的一般步骤。

1 涡轮机通流流场及性能数值方法

ANSYS CFX是解决流体动力学分析的专业软件, 由前处理、求解器和后处理3个子模块组成, 具有以下特点: 1) 提供了比较精确的数值方法; 2)提供了快速稳定的求解技术; 3) 提供了先进的湍流模型等[2]。

1.1 数值方法计算流程

如图1所示, CFD工作流程分为以下几个步骤: 1) 利用CAD软件(如CATIA、UG 等)建立几何模型; 2) 导入网格划分软件ICEM CFD, 生成计算网格; 3) 将生成的计算网格导入Ansys CFX-pre模块, 设置边界条件, 如速度、压力、温度、流量等流体进口和出口, 输入工质参数, 选择数值仿真参数, 如稳态或瞬态, 可压缩流体或不可压缩流体; 4) 进入Ansys CFX-slover模块, 开始求解运算, 并动态监视迭代残差; 5) 收敛后导入后处理模块, 进行结果处理, 评估设计方案。

图1 CFD工作流程

1.2 建立涡轮机通流部分CFD仿真模型

仿真之前必须要定义所要解决的问题, 即仿真的对象。仿真对象要涉及到具体几何结构, 即所仿真的计算区域。

算例涡轮机为部分进气、冲动式、轴流式涡轮机。研究对象是鱼雷涡轮机通流部分, 其结构简图见图2, 主要包括喷管、叶轮等[3-4]。

1.3 网格划分

网格划分采用ICEM CFD处理器。ICEM CFD是一款世界顶级的CFD/CAE前处理器, 为各流行的CFD/CAE软件提供高效可靠的分析模型。ICEM CFD 提供了广泛的CAD 软件接口, 当几何实体模型建好以后, 可以通过ICEM CFD 中的File/Import Geometry 直接导入CATIA V4, STEP, IGES, UG, Pro/E 等格式的CAD 几何模型文件。ICEM CFD具有丰富的网格类型, 如四面体网格(Tetra Meshing)、三棱柱网格(Prism Meshing)、六面体网格(Hexagon Meshing)、棱柱形网格(Pyramid Meshing)、O型网格(O-grid Meshing)、自动六面体网格(Auto Hexa)等。ICEM CFD 本身附带了多种有限元求解软件的输入输出转换器。用户可以通过Output/Select Solver 选择求解器并通过Output/Write Input 来输出文件[2]。本文选择的求解器是ANSYS CFX, 输出文件格式默认为*.CFX5。处理器输入和输出流程如图3所示。

图2 涡轮机通流部分示意简图

图3 ICEM CFD输入与输出

在对鱼雷燃气涡轮机通流部分计算域划分网格时, 需考虑叶轮径向间隙和轮盘前后间隙。针对涡轮机通流部分结构形式, 计算网格采用H-O-H多块结构化网格, 叶片壁面及轮毂壁面网格局部加密以捕捉边界层, 叶尖间隙、叶轮与喷管环轴向间隙也适当加密, 算例的网格点数约为106。由于涡轮机采用部分进气方式, 造成叶轮进口流场不均匀, 无法采用周期性边界条件, 需对涡轮机进行全周数值仿真。涡轮机通流部分计算域网格示意图见图4。

图4 涡轮机通流部分计算网格

1.4 网格导入ANSYS CFX

把划分好的计算域网格导入到ANSYS CFX -pre; 可导入不同格式的网格, 如CFX Mesh(gtm), Ansys 及Nastran 等, 从ICEM CFD 中导入网格直接选择ICEM CFD 网格格式。

1.5 设置工质流体物性参数

CFX中包括了理想气体、水和金属等常用流体和固体的物理参数, 也可设置新的流体的密度、粘度、导热系数和比热容等。

本文计算时假定通流部分燃气流动是定常流动, 燃气为理想气体, 遵守理想气体定律, 给定燃气分子量、定压比热容, 动力粘度随温度的变化遵从Sutherland方程。

1.6 喷管盒与叶轮交界面处理

由于喷管盒固定不动, 而叶轮高速旋转, 喷管盒和叶轮部分必须分开建模, 而在计算时喷管盒计算域和叶轮计算域使用交接面相互连接, 如图5所示。交接面采用多参考系模型和冻结转子模型来建立喷管盒计算域和叶轮计算域之间的连接, 并实现数据相互传递。

图5 喷管盒与叶轮交界面

1.7 选择湍流模型

基于雷诺平均N-S方程对粘性流场的数组计算的一个核心问题是湍流模型的选择和使用。对于工程流动问题, 目前已经发展了多种具有相当经验的湍流模型[5-7]。由于鱼雷涡轮机通流在变工况下会出现激波/边界层的相互干涉等跨音速流动现象, 鉴于SST湍流模型具有较好的模拟强逆压力梯度的能力, 在跨声速/边界层干涉流动中取得了很大的成功[8], 本文研究选择SST湍流模型。

1.8 边界条件

所谓边界条件, 是指求解域边界上所求解的变量或其1阶导数随地点及时间变化的规律。在CFX中边界条件包括: 流动进出口边界、给定压力边界、壁面边界、对称边界和周期性边界等。不同的求解模型, 边界条件的选择也不同。

针对鱼雷涡轮机通流部分流动特点, 基于对当地正交于边界的1D流动分析, 对亚音速进口流动, 3个进口气流参数需要给定。本文进口边界采用压力进口, 给定气流的总压、总温和气流方向, 其他的气流参数由流场外插可得; 出口采用压力出口, 给定静压, 其他的气流参数由流场外插可得; 对于湍流模型进口给定中等湍流度和旋涡粘性比; 假定通流部分壁面是绝热、光滑壁面。

1.9 设置求解参数

通过Solver Control 设置对流项离散格式和时间步长以及收敛精度。通过Write Solver File进行求解计算。

本文求解的是3D定常粘性的雷诺平均NAVIER-STOKES方程组。控制方程的离散采用基于有限元的有限体积法, 耦合隐式格式的时间推进算法, 对控制方程对流项的离散采用2阶迎风格式。

1.10 收敛标准

计算实时监测NAVIER~STOKES方程的迭代残差、通流部分进出口流量以及叶轮扭矩。收敛标准: 1) 流量方程、动量方程、湍流方程的迭代残差要小于10-4或出现震荡; 2) 计算进出口流量近似平衡, 误差不超过0.5%; 3) 计算叶轮扭矩基本不随计算时间变化。

只要满足上述收敛标准, 如图6所示, 再计算100步, 可视为计算收敛。

图6 计算监测窗口

1.11 后处理及结果评价

ANSYS CFX提供了强大的后处理功能, 把结果. res文件导入到CFX-POST, 可对结果进行后处理。

计算完成以后, CFX会自动生成一个.out文件和.res文件。其中.out文件中包含求解信息, 如模型设定、求解过程中解得状态以及求解工作量统计等, 在其中可把涡轮机进出口流量、叶片负载等性能参数摘取出来, 也可把结果.res文件导入CFX-POST中进行后处理, 利用Report功能得出相应性能参数。

2 算例结果分析

以鱼雷燃气涡轮机通流部分为研究对象, 利用上面介绍的数值计算方法, 开展通流流场及性能的数值计算分析。

2.1 计算方法试验验证

应用鱼雷涡轮机热吹风试验测量数据对计算方法进行验证。计算结果与试验数据比较情况见表1。

表1 相对有效效率和流量的计算结果与试验数据比较

Table 1 Comparison of CFD results and test data of re- lative effective efficiency and flow rate

由表1可知, 数值计算的涡轮机性能与试验数据吻合较好, 最大偏差不超过6%, 这表明应用计算流体动力学软件ANSYS CFX所构建的鱼雷燃气涡轮机通流部分流场及性能数值计算模型是可信的。

2.2 喷管内部流场细节

图7分别给出了喷管内部燃气马赫数、静压云图分布及沿流向的变化趋势。可知, 气体在喷管中流动时, 由于发生膨胀, 其压力很快降低, 而绝对速度急剧增加。马赫数由进口的0.06增大到2.23, 在喉部位置马赫数为1.0。静压由入口2.966 MPa降低到0.21 MPa, 喉部为1.74 MPa。喷管处于超临界状态, 没有激波。只有气流与壁面的摩擦损失[9]。

图7 喷管内部燃气参数沿流向变化曲线

2.3 叶轮内部流场细节

图8给出了喷管环所对应的叶轮内部气流参数沿流向的变化以及叶中位置相对马赫数云图分布[10]。总体上来讲, 叶轮入口燃气相对速度要比出口大。叶轮入口燃气相对马赫数超音, 燃气碰到叶片前缘, 分开向吸力面和压力面流动, 在吸力面气流绕过前缘以后先有一段加速过程。相对于燃气喷入叶轮方向, 流道入口为一斜切入口, 是一个收缩的通道, 超音速燃气在这里受到阻滞, 产生正激波, 激波以后燃气速度急剧下降, 变为亚音速[11]。正激波打在相邻叶片的吸力面上, 形成激波边界层干涉, 引起吸力面边界层增厚, 严重时会产生边界层分离[12-13]。通道中间处燃气维持亚音速流动。叶轮通道出口也为一斜切口, 相对于燃气来讲是扩张型, 亚音速燃气又开始膨胀,产生膨胀波, 燃气相对速度增大, 在叶片尾缘处燃气相对马赫数又有超音; 此时与叶片吸力面上的低速边界层气流相遇, 相当于产生内折, 在叶片尾缘处产生斜激波, 成燕尾波, 后燃气重新变为亚音速[12-13]。

图8 叶轮内部流场细节

3 结束语

本文应用ANSYS CFX软件对鱼雷燃气涡轮机通流部分流场及性能进行建模和数值仿真, 介绍了计算流体动力学技术应用到鱼雷燃气涡轮机设计中的一般步骤。研究表明, 所构建的鱼雷燃气涡轮机通流流场及性能计算模型是可信的, 预测结果与试验数据吻合较好。本文的研究成果对鱼雷涡轮机工程研制具有较强的参考价值。

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Numerical Simulation of Torpedo Turbine Flow Passage Field and Performance Using ANSYS CFX

CHEN Gang1, YI Jin-bao2, SHI Hai-chao3

(1. Xi′an Representative Bureau, Naval Armament Department, Xi′an 710054, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Torpedo turbine flow passage field and performance are simulated by using computational fluid dynamics(CFD) software ANSYS CFX, and the general steps of designing torpedo gas turbine flow passage with CFD are introduced in order to predict the gas turbine flow passage field and performance and to promote application of CFD technique to design of torpedo turbines. The results show that the predicted turbine efficiency agrees well with the test data. This study may offer a reference for development of new torpedo turbines.

torpedo turbine; ANSYS CFX; numerical simulation

TJ630.32

A

1673-1948(2012)04-0285-05

2011-03-06;

2011-11-07.

陈 刚(1974-), 男, 工程师, 主要从事鱼雷总体及质量方面的工作.

(责任编辑: 陈 曦)