Введение

Данная методика предназначена для выполнения расчета вязкого течения в нестационарной постановке в ANSYS. Методика приведена на примере расчета характеристики первой ступени КНД.

Используя результаты проделанной работы можно перейти к решению задачи для оценки устойчивости лопатки компрессора к автоколебаниям, оценки шума.

Исходные данные для расчета

Начальными данными для расчета являются:

Геометрия проточной части;

Параметры на входе в компрессор:

Полное давление;

Полная температура;

Частота вращения ротора;

Результаты решения задачи в стационарной постановке.

Методика расчета

На основании чертежей создаются модели лопаток НА и РК в CAD системе;

В ANSYSDesignModeler импортируются модели лопаток и эскизами воспроизводятся обводы втулки, периферии, входного и выходного сечений. Инструментом FlowPath отмечаются элементы проточной части (перо лопатки, втулка, периферия, входное и выходное сечения). При помощи инструмента ExportPoints созданная геометрия экспортируется из DesignModeler в TurboGrid;

В сеточном построителе TurboGrid создается сетка для рабочей области;

Созданная сетка импортируется в ANSYSCFX. Задаются граничные условия с учетом нестационарного подхода к ее решению:

Главное отличие нестационарного расчета от стационарного заключается в том, что нестационарный расчет – это расчет длительного процесса, параметры которого меняются во времени. Соответственно, для расчета необходимо задать общее время расчета (длительность процесса, с которым предстоит работать) через параметр TotalTime (рисунок 1).

Другой особенностью расчета нестационарного процесса является то, что его можно представить как некий набор стационарных расчетов. Т.е. нестационарный процесс нужно разбить на конечное число стационарных состояний. Сделать это можно задав шаг по времени (промежуток времени между соседними стационарными состояниями) через параметр Timesteps(рисунок 1). Таким образом, можно получить количество итераций, поделив общее время расчета на шаг по времени. Рекомендуется задавать количество шагов по времени так, чтобы на один проход межлопаточного канала приходилось от 40 и более итераций. Однако следует учитывать, что слишком маленький шаг по времени существенно увеличит длительность расчета. В это же время, при слишком большом шаге по времени расчет может не выполниться.

Рисунок 1 – Параметры нестационарного расчета

Еще одной особенностью является тип взаимодействия ротора и статора. Тип интерфейса на стыке ротора и статора выбран TransientRotorStator. Данный интерфейс позволяет учитывать нестационарность процессов и требует выполнения условия равенства площадей сечения на выходе из ротора и на входе в статор.

В данном случае выбрана модель турбулентности k-Epsilon, однако при наличии больших вычислительных мощностей и достаточно густой сетки предпочтительно использовать модель SST с включенной настройкой TransitionalTurbulence.

Для того, чтобы контролировать процесс решения задачи выведены дополнительные графики (Monitor): степень повышения давления ступени, расход воздуха на входе в ступень, расход воздуха на выходе из ступени;

Рисунок 2 – Вывод промежуточных результатов расчета

Задан вывод промежуточных результатов расчета TrnResults (рисунок 2). Параметрами OutputFrequency задается периодичность создания файлов промежуточных результатов. От количества выбранных параметров будет зависеть размер файла промежуточных результатов. Поэтому рекомендуется выбирать минимальное и достаточное количество параметров;

Перед началом расчета необходимо провести инициализацию исходных данных при помощи ExecutionControl (рисунок 3), где необходимо указать ссылку на .def файл и указать файл результатов расчета задачи в стационарной постановке;

Рисунок 3 – Инициализация исходных данных

Для точного решения задачи необходимо, чтобы течение в канале было установившимся. Для этого расчет выполняется так, чтобы ротор компрессора совершил более пяти оборотов. При совершении первых пяти (в среднем) оборотов ротора течение будет устанавливаться. После того, как течение установится, расчет продолжится уже с установившимся течением. После этого следует приступить к сбору данных. Данные с первых пяти оборотов не следует учитывать. В связи с этим, промежуточные результаты расчета первых пяти оборотов необходимо удалять, так как они занимают большое количество памяти (до нескольких терабайт);

Нестационарный расчет требует компромиссного решения между точностью и длительностью расчета, так как данный тип расчета является весьма затратным по времени. Для ускорения расчета необходимо задавать минимально-возможное и достаточное количество итераций.

Ход решения задачи следует отслеживать по графикам (Monitors) изменения параметров (КПД, массовый расход воздуха, степень повышения полного давления и т.д.). Так как расчет нестационарный, то графики имеют колебательный характер. Как только течение станет установившемся, колебания параметров также примут установившийся характер (рисунок 4).

Результаты расчета

По завершении расчета необходимо получить результаты расчета. Сделать это можно двумя способами. Провести ручное осреднение параметров установившегося течения из графиков (Monitors) либо вывести значение параметров в табличном редакторе постпроцессора (система выдает осредненное значение);

Нестационарный расчет показывает более полную картину течения, так как позволяет учесть эффекты прохождения (взаимодействие ротора и статора). Рисунок 5 показывает различие картин течения, полученных при решении задачи в стационарной и нестационарной постановках.

а)

б)

Рисунок 5 – картина течения а) в стационарной и б) в нестационарной постановках

Список сокращений

КНД – компрессор низкого давления.

НА – направляющий аппарат.

РК – рабочее колесо.

КПД – коэффициент полезного действия.

Код для цитирования: Скопировать