Tutorial zawiera:
W tym tutorialu opisano :
tworzenie chwilowej animacji pokazującej ruch domen w CFD-Post.
Component | Feature | Detalis |
---|---|---|
CFX-Pre | User Mode | Turbo Wizard |
Analysis Type | Steady State | |
Transient | ||
Fluid Type | Ideal Gas | |
Domain Type | Multiple Domain | |
Rotating Frame of Reference | ||
Turbulence Model | k-Epsilon | |
Heat Transfer | Total Energy | |
Boundary Conditions | Inlet(Subsonic) | |
Outlet(Subsonic) | ||
Wall:No-Slip | ||
Wall:Adiabatic | ||
Domain Interfaces | Frozen Rotor | |
Periodic | ||
Transient Rotor Stator | ||
Timestep | Physical Time Scale | |
Transient Example | ||
Transient Results File |
| |
CFX-Solver Manager | Restart |
|
Parallel Processing |
| |
CFD-Post | Plots | Animation |
Isosurface | ||
Surface Group | ||
Turbo Post |
| |
Other | Changing the Color Range | |
Chart Creation | ||
Instancing Transformation | ||
Movie Generation | ||
Quantitative Calculation | ||
Time Step Selection | ||
Transient Animation |
Celem tego tutorialu jest utworzenie przykładowego toku obliczeń (chwilowych wartości) dla stopnia turbiny osiowej.
Stopień osiowy turbiny akcyjnej posiada 60 łopatek kierownic oraz 113 łopatek wirnika. Rysunek pokazuje połowę obwodu całej geometrii. Etykiety napływu (Inlet) i odpływu (Outlet) pokazują na Rys.1 lokalizację sekcji: Podsekcje geometrii układu stopnia turbiny. Poniżej pokazano szkic części geometrii stopnia z zaznaczeniem obudowy zewnętrznej (Shroud), podstawy łopatek (Hub), osi obrotu wirnika (Axis of Rotation) oraz przyjętego układu współrzędnych kartezjańskich.
Geometria, która ma być zamodelowana zawiera pojedynczy rząd łopatek kierownic i dwa rzędy łopatek wirnika. Jest to przybliżenie całkowitej geometrii, gdy stosunek liczby łopatek wirnika do łopatek kierownic jest bliski 2:1. W rzędzie kierownic, została zamodelowana 6 -stopniowa sekcja (3600/60 łopatek = 60), podczas gdy dla 2 rzędów wirnika została zamodelowana 6,372 -stopniowa sekcja (2*3600/113 łopatek = 6,3720). Stwarza to stosunek „pitchu”(najmniejszej odległości) pomiędzy interfejsem kierownic i wirnika równy 0,942. Gdy przepływ przecina interfejs, jest on skalowany, aby umożliwić zamodelowanie takiego typu geometrii. Jego rezultatem jest przybliżenie napływu do rzędu wirnika. Co więcej, przepływ przez interfejs nie będzie ciągły z powodu zastosowanego skalowania.
Należy się zawsze starać, aby stosunek „pitchu” był jak najbliższy 1, aby zminimalizować przybliżenia, ale musi to być zrównoważone z obliczeniami komputerowymi. Można przeprowadzić pełną analizę maszyny (zamodelować cały wirnik i łopatki kierownic), co wyeliminuje zmianę „pitchu”, ale wymagać będzie długiego czasu obliczeń. Dla tej geometrii, oraz ¼ obwodu maszyny (28 łopatek wirnika, 15 łopatek kierownicy), zmiana „pitchu” wyniesie 1.009 (1.07?), ale wymaga to modelu 15 razy większego niż omawiany tu przykład w tutorialu.
W tym przykładzie wirnik obraca się z prędkością kątową 523,6 [rad/s] wokół osi Z, a kierownice są nieruchome. Okresowe granice zastosowane są po to, aby można było modelować tylko małą część całej geometrii.
Istotne parametry termodynamiczne czynnika dla analizowanego problemu:
- ciśnienie całkowite = 0,265 bar,
- ciśnienie statyczne = 0,0662 bar,
- temperatura całkowita = 328,5 K.
Ogólne rozwiązanie tego problemu polega najpierw na zdefiniowaniu symulacji nieruchomego wirnika używając Turbomachinery wizard. Siatka obliczeniowa dla wirnika utworzona w CFX-TASC flow, będzie następnie importowana i połączona z drugą siatką dla kierownic, która jest utworzona w CFX-Mesh. Rezultaty obliczeń będzie można oglądać używając Turbo-Post. Istniejąca symulacja nieruchomego wirnika zostanie zmodyfikowana, aby zdefiniować symulację wirnika z kierownicami dla wartości chwilowych. Symulacja wirnika z kierownicami dla wartości chwilowych zostanie wykonana przy użyciu stanu ustalonego dla nieruchomego wirnika jako rozwiązanie początkowe . Ostatecznie, animacja dla wartości chwilowych pokazująca ruch domen, będzie utworzona w CFD-Post.
Jeśli jest to pierwszy tutorial, z którym pracujesz ważnym jest, aby powtórzyć sobie następujące tematy zanim rozpoczniesz, są to:
Przygotuj katalog roboczy używając następujących plików z katalogu przykładów:
Aby zobaczyć szczegóły, patrz: Przygotowanie katalogu roboczego.
Aby poznać szczegóły zobacz: Ustawianie katalogu roboczego i uruchamianie ANSYS CFX w trybie autonomicznym.
Najpierw należy utworzyć symulację z nieruchomym wirnikiem.
Jeśli chcesz utworzyć symulację automatycznie używając pliku tutorialowego, uruchom AxialIni.pre.
Aby zobaczyć szczegóły, kliknij: Odtwarzanie plików tutorialowych. Następnie przejdź do: Uzyskanie rozwiązania używając CFX-Solver Manager.
W przeciwnym razie, symulacja zostanie utworzona ręcznie przy użyciu kreatora Turbomachinery wizard w CFX-Pre. Tryb przetwarzania wstępnego (pre-processing mode) ma na celu uproszczenie konfiguracji symulacji maszyn przepływowych.
W panelu Basic settings, zmień ustawienia:
Setting | Value |
---|---|
Machine Type | Axial Turbine |
Analysis Type> Type | Steady State |
Dwa nowe komponenty są tu wymagane. Kiedy są one utworzone, siatki będą importowane.
Skonfiguruj ustawienia:
Setting | Value |
---|---|
Mesh > File | Stator.gtm |
Skonfiguruj ustawienia:
Setting | Value |
---|---|
Component Type > Value | 523.6 [radian s^-1] |
Mesh > File | rotor.grd |
Options > Mesh Units | m |
Uwaga!
Komponenty muszą być wprowadzone jak wyżej (najpierw kierownice, następnie wirnik), aby poprawnie zostały utworzone interfejsy. Kolejność komponentów może być zmieniona poprzez prawe kliknięcia na S1 i wybranie Move Component Up.
Kiedy komponent jest zdefiniowany, Turbo Mode automatycznie wybierze listę obszarów, które odpowiadają niektórym typom brzegowym. Ta informacja powinna zostać sprawdzona w sekcji Region Information, aby upewnić się, że wszystko zrobione jest poprawnie. Ta informacja pomoże ustawić warunki brzegowe i interfejsy. Powyższe turbo regions, które są wybrane (np. piasta) odpowiadają nazwie regionów w CFX-TASCflow grd pliku. Siatki obliczeniowe maszyn przepływowych w CFX-TASCflow używają tych nazw konsekwentnie.
W tej sekcji, ustawisz właściwości domen dla płynu i parametry Solver’a.
W panelu Physics Definition ustaw warunki:
Setting | Value |
---|---|
Fluid | Fluid Air Ideal Gas |
Model Data > Reference Pressure | 0.25 [atm] |
Model Data > Heat Transfer | Heat Transfer Total Energy |
Model Data > Turbulence | Turbulence k-Epsilon |
Inflow/Outflow Boundary Templates > P-Total Inlet Mass Flow Outlet | (Selected) |
Inflow/Outflow Boundary Templates > Inflow > P-Total | 0 [atm] |
Inflow/Outflow Boundary Templates > Inflow > T-Total | 340 [K] |
Inflow/Outflow Boundary Templates > Inflow > Flow Direction | Normal to Boundary |
Inflow/Outflow Boundary Templates > Outflow > Mass | Per Component |
Inflow/Outflow Boundary Templates > Outflow > Mass | 0.06 [kg s^-1] |
Interface > Default Type | Frozen Rotor |
Solver Parameters | (Selected) |
Solver Parameters > Advection Scheme | High Resolution |
Solver Parameters > Convergence Control | Physical Timescale |
Solver Parameters > Physical Timescale | 0.002 [s]Solver Parameters > Physical Timescale a |
CFX-Pre będzie starał się utworzyć odpowiednie interfejsy używając nazw obszarów przedstawionych poprzednio w Region Information. W tym wypadku, powinieneś zauważyć, że okresowy interfejs został wygenerowany dla obu wieńców, wirnika i kierownic. Jest to wymagane, gdy modelujemy małą część prawdziwej geometrii stopnia. Interfejs jest również potrzebny, aby połączyć ze sobą dwa komponenty poprzez zmianę ramy .
CFX-Pre będzie starał się utworzyć odpowiednie warunki brzegowe używając nazw regionów prezentowanych poprzednio w Region Information. W tym wypadku, powinieneś zobaczyć listę utworzonych warunków brzegowych. Mogą być one edytowane lub skasowane w ten sam sposób jak połączenia interfejsów, które były ustawiane wcześniej.
Po kliknięciu Finish, pojawi się okienko, z informacją, że Turbo raport nie zostanie uwzględniony w pliku Solver’a, ponieważ wchodzimy w tryb ogólny.
Skonfiguruj ustawienia:
Setting | Value |
---|---|
File name | Axiallni.def |
CFX-Solver Manager włączy się automatycznie, i w okienku Define Run, jest już ustawione Solver Input File.
Jeśli używasz trybu stand-alone, zamknij CFX-Pre, zapisując symulację (.cfx) według własnego uznania.
Porównując z poprzednimi tutorialami, siatka dla tego tutorialu zawiera dużo więcej węzłów (jednak jest ona dalej zbyt prosta, by stworzyć symulację CFD wysokiej jakości). Powoduje to zwiększenie czasu rozwiązania problemu. Zaleca się, jeśli jest to możliwe, rozwiązanie tego problemu równolegle. Aby uruchomić ten tutorial, twój komputer powinien mieć minimum 256 MB wolnej pamięci.
Więcej szczegółowych informacji o utworzeniu modelu CFX, tak aby działał równolegle, zobacz w: Flow Around a Blunt Body.
Możesz rozwiązać ten przykład używając Serial, Local, Parallel lub Distributed Parallel.
• Obtaining a Solution in Serial (p. 254)
• Obtaining a Solution With Local Parallel (p. 255)
• Obtaining a Solution with Distributed Parallel (p. 255)
Jeśli nie masz licencji, na to by uruchomić CFX równolegle, możesz uruchomić go w trybie Serial, klikając Start Run, kiedy otworzy się CFX-Solver Manager. Z procesorem 1GH rozwiązanie trwa około 45 minut.
Kiedy skończysz przejdź do Viewing the Results Using CFD-Post.
Aby uruchomić obliczenia w trybie lokalnie równoległym twój komputer, na którym pracujesz musi mieć więcej niż jeden procesor.
(Domyślnie, przypisane są tu dwie partycje).
Kiedy skończysz, przejdź do Viewing the Results Using CFD-Post.
Jedna partycja powinna zostać wybrana dla użytkownika, na którym jesteś zalogowany.
Kliknij OK.
Funkcja Turbo-Post będzie przestawiona w następującej sekcji. Funkcja ta jest stworzona po to, by zredukować wysiłek potrzebny dla post procesowych symulacji maszyn przepływowych. Aby zobaczyć szczegóły, patrz: Turbo Workspace.
Kiedy wprowadzamy turbo komponenty, zakres, a (osiowy), r (promieniowy) i theta, współrzędne są generowane dla każdego komponentu. Ponadto, po wejściu do przestrzeni roboczej Turbo oraz zainicjowaniu turbo komponentów, będziesz gotowy do używania jej specyficznych funkcji turbo, oferowanych w tej przestrzeni roboczej. Funkcje te zawierają: Turbo Tree View, Turbo Surface, Turbo Line i Turbo Plots. Aby poznać szczegóły, zobacz: Turbo Workspace.
By zainicjować Turbo-Post, muszą być ustawione właściwości każdego elementu. Zawierają one dane o wlocie, wylocie, piaście, obudowie, łopatkach, i okresowych regionach. Zawiera również informacje o ilości przypadków każdego tubo elementu, który musi reprezentować pełną geometrię wokół osi obrotu oraz ilość przejść łopatki przez siatkę dla każdego turbo komponentu.
Pojawia się okienko Turbo Initialization i program pyta się, czy chcemy auto inicjalizować wszystkie komponenty.
UWAGA:
Jeśli okno Turbo Initialization nie pojawia się, to aby zainicjować wszystkie elementy, alternatywą jest kliknięcie przycisku Initialize All Components, który jest widoczny domyślnie lub po dwukrotnym kliknięciu Initialization object w drzewie poleceń Turbo.
W tym wypadku, inicjalizacja działa bez problemów. Jeśli jednak wystąpił problem inicjalizacji elementu, informacja o tym pojawi się w drzewie poleceń.
Następnie należy utworzyć transformację, aby wykreślić 3 przejścia łopatek dla kierownicy i 6 przejść łopatek dla wirnika. Zostało to wybrane w celu utworzenia trzykrotną geometrię, która została użyta w symulacji, aby zwizualizować zmiany ciśnienia. Widząc sąsiednie przejścia, da to lepsze zrozumienie zmian ciśnienia na stopniu turbiny. Właściwości każdej domeny zostały już wprowadzone w Initialization. Następne kroki, będą polegać na utworzeniu grupy powierzchni, aby pokolorować powierzchnię łopatki i piastę z tą samą zmienną.
Skonfiguruj ustawienia następująco:
Tab | Setting | Value |
---|---|---|
Geometry | Locations | R1 Blade, R1 Hub, S1 Blade, S1 Hub |
Color | Mode | Variable |
Variable | Pressure |
Skonfiguruj następujące ustawienia:
Tab | Setting | Value |
---|---|---|
3D View | Instancing>Domain | R1 |
Instancing>#of Copies | 3 |
Skonfiguruj następujące ustawienia:
Tab | Setting | Value |
---|---|---|
3D View | Instancing>Domain | S1 |
Instancing>#of Copies | 3 |
Kliknij przycisk Outline, aby zobaczyć grupę powierzchni.
W tej sekcji, utworzysz wykres ciśnienia wokół łopatek kierownic dla danego położenia wzdłuż obwodu profilu.
Ten profil przebiegu krzywej ciśnienia jest typowy dla zastosowań maszyn przepływowych.
Kiedy zakończysz oglądanie wykresu, zamknij CFD-Post.
Będziesz teraz tworzył symulację wartości chwilowych dla modelu wirnika z kierownicami. Istniejąca symulacja stanu ustalonego z nieruchomym wirnikiem jest modyfikowana po to, aby zdefiniować symulację dla wartości chwilowych wirnika z kierownicami. Jeśli nie ukończyłeś symulacji z nieruchomym wirnikiem, przed przystąpieniem do symulacji z wartościami chwilowymi, odnieś się do Simulation the Stage with the Frozen Rotor Model (p.251).
W tej sekcji opisano krok po kroku przepływy fizyczne w CFX-Pre.
Jeśli chcesz utworzyć symluację automatycznie i kontynuować w Obtaining the Solution Using CFX-Solver Manager (p.261), włącz Axial.pre.
UWAGA
Plik utworzy nową symulację nazwaną Axial.cfx, lecz nie zmodyfikuje istniejącej bazy danych. Skopiuje on również wymagane pliki wartości wejściowych z przykładowego katalogu do obecnie używanego.
Ten krok wymaga otworzenia oryginalnej symulacji i zapisanie jej w innym miejscu.
By zdefiniować symulację chwilową musisz zmodyfikować domenę. Będziesz ją włączał na okres czasu, tak aby łopatki przeszły przez 1 nachylenie (6.3720) używając 10 kroków czasowych. Jest to za mało kroków, aby uzyskać wyniki wysokiej jakości, lecz wystarczające na potrzeby tutorialu. Krok czasowy jest wyliczany następująco:
UWAGI
Prędkość obrotowa = 523,6 rad/s
Zamodelowane nachylenie wirnika =2*(2π rad/113)=0,1112rad
Czas aby przejść przez 1 nachylenie = 90,1112 rad)/(523,6 rad/s)=2,124e-4s
Odkąd jest używane 10 kroków czasowych, po tym interwale każdy krok czasowy powinien wynosić 2,124e-5s.
Wyświetlane są wówczas Basic Settings.
Skonfiguruj następujące ustawienia:
Setting | value |
---|---|
Analysis Type>Type | Transient |
Analysis Type>Total Time | 2,124e-4[s]a |
Analysis Type>Time Steps | 2,124e-5[s]b |
a- daje to 10 kroków czasowych po 2,124e-5s
b-ten krok czasowy będzie wykorzystywany, dopóki nie będzie osiągnięty całkowity czas.
Wyświetlany jest Component Definition.
Wyświetlany jest komunikat Physics Definition.
Skonfiguruj następujące ustawienia:
Ustawienia | Wartość |
---|---|
Fluid | Air Ideal Gas |
Interface>Default Type | Transient Rotor Stator |
UWAGA
Obliczenia dla wartości chwilowych często przechodzą więcej niż przez 1 nachylenie. W tych przypadkach może to być przydatne do tego, by zobaczyć różne wyniki uśrednione w przedziale czasu wymaganego do ukończenia 1 nachylenia. Możesz porównać wyniki dla każdego obrotu nachylenia, aby zobaczyć czy stan ustalony został osiągnięty, czy też przepływ nadal się rozwija.
Wyświetla się ostrzeżenie.
Kliknij Yes.
Wyświetlany jest komunikat Interface Definition.
Wyświetla się Boundary Definition.
Final Operations jest wyświetlone.
Pojawi się komunikat, że raport turbo nie będzie uwzględniany w pliku solver.
Wymagane są wartości wejściowe, ale będą one dostarczone później, używając plików wyników.
1. Kliknij Output control.
2. Kliknij przycisk Trn Results.
3. W drzewie Transient Results, kliknij Add new item, ustaw Name w Transient Results 1, i kliknij OK.
4.Skonfiguruj następujące ustawienia:
Option | Selected Variables |
---|---|
Output Variables Lista | Pressure, Velocity, Velocity in Stn Frame |
Output Frequency>Option | Time Interval |
Output Frequency>Time Interval | 2,124e-5[s] |
a-użyj CTRL aby wybrać więcej niż jedną zmienną
5. Kliknij OK.
Skofiguruj następujące ustawienia:
Tab | Setting | Value |
---|---|---|
Run Definition | Solver Input File | Axial.defa |
a-nie potrzeba ustawić ścieżki, chyba, że planujesz zapisać plik solver gdzie indziej niż w katalogu roboczym.
Pojawi się ostrzeżenie, spowodowane niedoborem wartości wejściowych.
Wartości wejściowe są tu wymagane, lecz będą uzupełnione później, używając plików wyników.
Kiedy włączy się CFX-Solver Manager, będziesz musiał określić wartości wejściowe przed włączeniem CFX-Solver.
CFX-Solver już działa w celu otrzymania rozwiązania. Na końcu pojawi się okienko informujące o zakończeniu symulacji.
Naśladuj pierwsze 6 kroków z procedury seryjnej przedstawionej powyżej (Serial Solution (p.261)), następnie wykonaj procedurę lokalną równoległą lub rozpowszechnionej równoległej z 1 części tego tutorialu (Obtaining theSolution Using CFX-Solver Manager(p.254)).
Podczas rozwiązania, zobacz dodatkowe informacje, które są zapewnione dla przebiegów chwilowych w układzie wirnik-kierownice. Za każdym razem wirnik obraca się do następnej pozycji, liczba stopni obrotu i ułamek nachylenia jest podawany. Po 10 krokach czasowych powinieneś zobaczyć, że wirnik przeszedł przez 1 nachylenie.
Aby sprawdzić chwilowe interakcje pomiędzy wirnikiem i kierownicami musisz utworzyć animację ciśnienia łopatka do łopatki. Jako podstawa dla tego wykresu będzie używana powierzchnia turbo.
Podczas inicjalizacji turbo komponentów będzie wykonany cały pre-processing. Tylko kilka kroków będzie wymaganych do tego, by wyświetlić powierzchnię ciągłego okresu oraz stworzyć powierzchnię turbo omawianą później w tym tutorialu.
Wyświetlane jest okienko Turbo Initialization i pyta czy chcemy auto inicjalizować wszystkie komponenty.
UWAGA
Jeśli nie widzisz okienka Turbo Initialization, alternatywnie możesz inicjalizować wszystkie komponenty klikając przycisk Initialize All Components, który jest widoczny domyślnie lub poprzez podwójne kliknięcie Initialization w drzewie Turbo.
Oba komponenty (domeny) są zainicjalizowane bazując na automatycznym wyborze turbo regionów. Kiedy proces jest kompletny, obok każdego komponentu na liście pojawi się ikona zielonej turbiny. Można również wyświetlić zielone tło mesha dla każdego zainicjalizowanego komponentu.
W drzewie Turbo, podwójnie kliknij na Blade-to-Blade.
Pojawi się powierzchnia ciągłego okresu, pokolorowana zmianami ciśnienia. Obiekt ten może być edytowany oraz ponownie wyświetlany przy użyciu widoku szczegółowego.
Lewy widok to 3D View, górny prawy to Blade to Blade i dolny prawy to widok Meridional.
1. Utwórz Turbo Surface wybierając Insert>Location>Turbo Surface z dolnego menu z wartością Constant Span ustawioną na 0,5.
2.Pod przyciskiem Color wybierz Variable i ustaw na Pressure z wartościami wybieranymi przez użytkownika z zakresu pomiędzy 10000 [Pa] a 7000 [Pa].
Następnie, aby zobaczyć szerszą sekcję modelu, będziesz używał przykładowych transformacji. Ustawienia każdej domeny były już wybrane podczas fazy inicjalizacji, więc teraz należy ustalić tylko ilość przypadków.
Zacznij ładując pierwszy krok czasowy:
Zalecienie
Upewnij się, zanim będziesz kontynuował, aby wcisnąć Enter i potwierdzić, że nowa liczba pojawiła się w liście.
Animacja zawiera teraz 11 ramek (9 pośrednich plus dwie Keyframes), jedna dla każdej dostępnej wartości czasowej.
- Zajmuje to chwilę czasu, by animacja została ukończona
- Aby zobaczyć film będziesz potrzebował odtwarzacza, który odtwarza format MPEG.
Na podstawie animacji oraz z wykresów utworzonych wcześniej będziesz w stanie zobaczyć, że przepływ nie jest ciągły wzdłuż interfejsu. Jest to spowodowane zmianą nachylenia. Odnosi się do tego również stosunkowo gruba siatka i mała liczba kroków czasowych użyta w symulacji dla wartości chwilowych. Film został utworzony z wąskim zakresem ciśnienia porównanym do globalnego zakresu, który wyolbrzymia różnicę w poprzek interfejsu.
Możesz stworzyć raport dla turbiny w sposób następujący:
Raport wygeneruje się wówczas automatycznie.
Pojawi się pełny raport.
Należy zauważyć, że poprawny raport zależy od właściwej turbo inicjalizacji.