ANSYS Workbench中提供了一系列模塊可以幫助用戶快速進行旋轉機械的設計與計算,這些模塊包括:BladeGen、TurboGrid、CFX等。在較新的workbench版本中,還將各種類型的旋轉機械設計進行了包裝,如Vista AFD、Vista CCD、Vista RTD、Vista TF等。

Vista AFD:主要用于軸流風扇(Axial Fans)初始設計

Vista CCD:主要用于離心壓縮機(Centrifugal Compressors)初始設計。

Vista RTD:主要用于徑流透平(radial inflow turbines)初始設計

Vista TF:用于對旋轉機械流線曲率分析。該程序允許用戶在設計初期快速更新徑向葉片組(泵、壓縮機與透平等)

本次以一個具體實例演示旋轉機械的設計過程。

1、添加Vista CCD模塊

從Toolbox中添加Vista CCD模塊,如圖1所示。

圖1 添加Vista CCD

2、設置CCD屬性

雙擊A2單元格進入CCD的Blade Design,如圖2所示。

圖2 CCD設計面板

如圖2所示,CCD設計主要包括三部分:Aerodynamic Data、Gas Properties及Geometry。

其中Aerodynamic data中主要進行離心壓縮機進出口工況設計。包括流量、壓縮機轉速、進口條件等。

Gas Properties主要用于工質定義,用戶可以選擇已有的工質,也可自定義工質。

Geometry用于幾何定義。

本次主要在于演示,不更改參數,所有參數使用默認。

參數定義完畢后可以點選【Calculate】按鈕,然后點選【Close】按鈕關閉窗口返回工程面板。從圖3可以看出A2單元格已完成更新。

3、進入BladeGen

右鍵點擊A2單元格,選擇菜單【Create New】>【BladeGen】,可將定義的數據以BladeGen打開。如圖3所示。

圖3 創建BladeGen

其實這里也可以選擇Geometry用DM打開。

4、插入TurboGrid模塊

工程面板如圖4所示,可以看到面板中新添加了模塊BladeGen。用戶可以通過雙擊BladeGen進入該模塊中對幾何進行修改。我們這里不修改。

在B2單元格上點擊右鍵,選擇菜單【Transfer Data to New】>【TurboGrid】向面板中添加TG模塊。如圖4所示。

用戶也可以右鍵選擇B2單元格,選擇菜單Create New Blade CFD Mesh進行網格劃分,不過采用此方法默認是使用四面體網格劃分。

本例使用TG模塊進行六面體網格劃分。

圖4 加入TurboGrid模塊

此時工程面板中的模塊列表如圖5所示。

圖5 面板中的模塊列表

5、進入TurboGrid模塊進行網格劃分

雙擊C2單元格進入TG模塊。

先以整體觀察幾何,如圖6所示。該壓縮機帶有副葉片,實際計算幾何只是其中的一個周期結構。如圖7所示。

圖6 整體幾何模型

圖7 計算幾何

如圖8所示。

雙擊樹形菜單上的【Topology Set】節點,彈出設置框。

設置【Placement】選項為Traditional with Control Points,設置【Method】為H/J/C/L-Grid,勾選Include O-Grid,設置【Width Factor】為0.15,其他參數默認設置。點選【Apply】按鈕。

右鍵點擊【Topology Set】節點,選擇【Suspend Object Update】菜單。此時會對Hub面與Shroud面進行網格劃分。如圖9所示。

此時在Layers節點下的Hub與Shroud網格可能不滿足質量要求(會呈紅色顯示),如圖10所示。我們需要對其進行節點調整。

圖8 拓撲定義 圖9 解除中斷

圖10 錯誤信息

網格節點調整完畢后,Layers節點下不存在紅色,選擇菜單【insert】>【Mesh】生成計算域網格。此時可以關閉TurboGrid,退回至工程面板中。

6、將網格文件輸出至CFX計算

如圖11所示,右鍵單擊C2單元格,選擇菜單【Transfer Data To New】>【Fluid Flow(CFX)】可添加CFX模塊到工程中。

圖11 添加CFX模塊

如圖12所示。

圖12 模塊

雙擊D2按鈕,進入CFX前處理。

(1)設置為Turbo Model

點選菜單【Tool】>【Turbo mode...】進入Turbo模式。Basic Settings如圖13所示。

圖13 基本信息設置

設置Machine Type:Centrifugal Compressor

設置旋轉軸為Z軸,采用穩態計算。點擊Next進入下一步計算。

(2)區域定義

如圖14所示,點擊R1后,進行下方屬性設置,這里設置壓縮機轉速90000RPM。

圖14 區域設置

如圖15所示。設置邊界條件為流量入口,靜壓出口。

設入口流量0.6kg/s,出口靜壓為0。

參考壓力為1atm。

圖15 邊界設置

點選按鈕【Next】進入下一步操作。

下一步為Interface定義,無需過多的操作,軟件自動幫我們定義好了。繼續下一步。

進入每一單獨邊界的定義,無需過多操作,已自動定義好了,繼續下一步。

點擊Finish按鈕完成模型定義工作。其他求解控制項可以自行設置。

此時可以關閉CFX。返回工程面板。

7、進行計算

雙擊D3單元格,進行計算。

計算完畢后即可進入CFD-POST進行后處理。

8、后處理

對于旋轉機械后處理,CFD-POST提供了方便的處理宏能自動完成后處理工作。雙擊D4

【File】>【Report】>【Report Template...】彈出圖16所示對話框。

圖16 選擇后處理模板

選擇報告模板Centrifugal Compressor Report,點選【Load】按鈕加載此模板。

CFD-POST會自動進行后處理工作,輸出相應的計算統計數據以及圖形圖表。

Report生成完畢后可以點選Report View標簽查看報告內容。