Проблема с большими радиальными зазорами в ANSYS TurboGrid

Сегодня мы решим с вами небольшую проблему, связанную с некорректной работой сеточного препроцессора ANSYS TurboGrid при разбиении геометрии лопаточных машин центробежного типа при больших радиальных зазорах. Пример подобной турбины показан на рисунке ниже. Здесь показана проточная часть турбины центростремительного типа с радиальным зазором высотой ~ 10% от высоты лопаток.

1

Попробуем загрузить созданную в BladeGen геометрию в TurboGrid. Как мы и предполагали, препроцессор выдал ошибку. Что надо сделать, чтобы исправить эту ошибку?

2

Перейдите в раздел Machine Data и с помощью правой кнопки мыши откройте выпадающее меню. Далее выберите опцию Edit in Command Editor.

3В редакторе команд отредактируйте параметр Surface Extension Factor. Вместо значения 0.1 укажите 0.5.

4

После этого TurboGrid нормально воспроизведет созданную ранее геометрию, а вы сможете сгенерировать затем качественную структурированную сетку.

На этом все. Удачного Вам моделирования!

С уважением, Денис Хитрых
Директор АО «Симулабс».
2016-11-21_16-58-13

Как «смоделировать» ветрогенератор в ANSYS CFD

Несколько лет назад я сделал доклад на тему использования ANSYS в альтернативной энергетике. За это время профессиональные инженеры и инженеры-любители разработали и запатентовали большое количество разнообразных устройств для извлечения энергии из ветра, волн, солнца и пр. Но лишь немногие из них ожили в металле, пластике или новомодном композитном материале. С другой стороны, некоторые оригинальные идеи и конструкции заслуживают второй жизни, и могут быть использованы в переработанном виде при разработке современных ветрогенераторов, морских турбин и т. п.

Поэтому на следующей неделе мы рассмотрим с вами наиболее интересные варианты конструкций ветряных турбин. И научимся моделировать в ANSYS CFD аэродинамику классического осевого «ветряка».

Для начала немного истории. На фотографиях снизу изображен один из первых отечественных ветрогенераторов времен СCCP. Он был спроектирован в ЦАГИ и введен в эксплуатацию в 1931 году. Мощность станции — 100 кВт (при скорости ветра 10 м/с); место установки — Балаклава, Крым. В 1943 году ветряная станция была разрушена. Сейчас на высоте Горной можно найти следы фундамента опор этой станции.
turbina

По современным меркам 100 кВт — это немного, но в начале 30-х годов прошлого века эта цифра заслуживала уважения. Например, немцы и датчане в это же время строили ветроэлектростанции меньшей мощности и с меньшим диаметром лопастей. Примечательно, что мачта Балаклавской станции была построена по проекту Владимира Шухова (автора знаменитых строительных гиперболоидов). А сама станция питала энергией Севастопольский трамвайчик.

Позже я подробнее вам изложу красивую легенду о послевоенной жизни этого замечательного технического объекта.

windturbine

А это турбина, которую мы с вами рассчитаем в ANSYS CFX или ANSYS Fluent. Размер расчетной области здесь показан условно.

До скорой встречи.

С уважением, Денис Хитрых (АО «СимуЛабс»).

Моделирование течения в осевом трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37

Сегодня я выполню своё предновогоднее обещание и расскажу о трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37. Это будет мой последний мастер-класс в 2015 году.

Для начала небольшой литературный обзор по данной тематике. Сегодня можно найти достаточно много открытых публикаций по NASA Rotor 37.  И это не случайно, если вспомнить, что данный тестовый компрессор был разработан Reid и Moore из NASA Lewis еще в 1978 году.

Начну с «классического» отчета AGARD-AR-355, который был опубликован в 1998 году.  В данном отчете приведены сравнительные результаты моделирования течения в проточном тракте Rotor 37, выполненные в разные годы в таких пакетах как, TASCflow, TRACE-S, HAH3D, TRANSCode и др.

Dae-Woong Kim с коллегами (2013) численно исследовали методы повышения эффективности ступени Rotor 37 с использованием пакета ANSYS CFX. В частности, рассматривался вариант с бандажным уплотнением.

В работе Chunill Hah из NASA Glenn Research Center описываются результаты исследования нестабильности течения в трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37 с использованием LES модели турбулентности, интегрированной в специализированный расчетный H3D. Это одна из первых работ подобного рода на тот момент (2007).

Marcelo R. Simões из Petrobras совместно c коллегами исследовал применимость различных моделей турбулентости (k-ε, k-ω и SST) для моделирования течения в проточном тракте NASA 37 с использованием пакета ANSYS CFX (2009). Результаты моделирования сравнивались с доступными экспериментальными данными.

Работа Mohamed Khalil (2009) интересна по двум причинам. Во-первых, это хороший пример научного интернационализма. Во-вторых, автору удалось получить весьма адекватные результаты с использованием высокорейнольдсовой k-ε модели турбулентности.

Последняя работа не имеет прямого отношения к Rotor 37. Однако в ней представлены достаточно интересные результаты по опыту применения TBR методов ANSYS CFX для исследования течения в ступени гибридного трансзвукового компрессора Rotor 35 / Stator 37. Это так же одна из первых открытых работ, в которой численные результаты для методов TBR сравниваются с данными экспериментов (Honeywell, 2013).

Перейдем непосредственно к постановке задачи в ANSYS CFX 16.0 (и выше).

Читать далее

Исправляем опечатки: шаг по времени для турбомашины

Несколько недель назад я опубликовал небольшие фрагменты моего курса по внешней аэродинамике и аэроакустике на основе ANSYS CFD. На одном из слайдов были приведены рекомендации по выбору шага по времени в соответствии со спецификой задачи. В частности, для лопаточной машины была приведена формула, которая показана ниже на рисунке.

ts_1Как верно подметил мой коллега из Самары в этой формуле по недоразумению параметр Nblades (количество роторных лопаток) оказался в числителе. Формулу я поправил, но вопросы остались. Поэтому следующие мои рассуждения будут адресованы начинающим пользователям (студентам, инженерам), а профессиональные «турбинисты» и «компрессорщики» могут дальше не читать мой текст.

Как «расшифровать» эту формулу? На примере простой задачи я покажу вам как правильно выбрать шаг по времени при моделировании течения в проточном тракте лопаточной машины (в стационарной или нестационарной постановке).

Допустим, что к нам в руки попала вот такая ступенька турбины (см. рис. ниже). У нас 30 статорных (сопловых) лопаток и 92 роторных (рабочих) лопаток. Т. е. угловые шаги отличается незначительно и можно использовать метод преобразования профиля (Profile Transformation) на интерфейсе «ротор-статор».

stator_rotorВведем условия периодичности и будем моделировать сектор в 12o (1-й статорной лопатке соответствует 3-и роторных лопатки). Частота вращения — 3000 об/мин или 314,16 рад/сек.

Необходимо, чтобы роторные лопатки прошли мимо статорной лопатки 10 раз (отсюда и коэффициент 10 в нашей формуле).

Начнем расчет. Мы моделируем 3 роторных лопатки, но всего у нас лопаток — 92 шт, таким образом ротору соответствует 3*(2π/92) = 0,2049 рад. Сколько необходимо времени, чтобы пройти этот «путь»? Скорость вращения нам известна, следовательно 0,2049/314,16 = 6,5217e-4 сек. Таким образом, шаг по времени равен  6,5217e-4/10 = 6,5217e-5 сек.

Формула-формулой, но лучше всегда всё перепроверять!

Удачного всем моделирования!

KhitrykhDP

 

С уважением, Денис Хитрых.

Обновления в Turbo-линейке ANSYS версии 17.0. Часть 2

Сегодня мы продолжим наше знакомство с обновлениями в Turbo-линейке ANSYS версии 17.0. Основная тема — дальнейшее развитие методов Transient Blade Row Transformation (методов пространственно временных преобразований).

Для начала вспомним базовую терминологию.

  • Метод Time Transformations (TT) — преобразование времени. В этом методе проблема неравных угловых шагов решается за счет преобразования временной координаты для ротора и статора, соответственно.
  • Метод Profile Transformations (PT) — преобразование профиля («растягивание» профиля). Один их самых отработанных методов. Этот метод основан на окружном масштабирование полей основных газодинамических переменных на коэффициент, который равен отношению площадей интерфейсных поверхностей «ротор-статор».
  • Метод Fourier Transformation (FT) — преобразование Фурье. Данный метод основан на смещение фаз между «интерфейсными» границами для газодинамических переменных.

В версии CFX 17.0 появилась возможность использовать STT-TRS интерфейс (single-sided TT interface) вместо PT интерфейса на границе TT-TRS. Ранее в версии 16.0 это была β-возможность. По умолчанию STT-TRS использует метод PT на одной стороне интерфейса (как правило, вверх по потоку) и метод TT на другой стороне интерфейса (вниз по потоку, соответственно).

stt

Читать далее

Отвечаем на письма читателей cfd-blog.ru. Ноябрь 2015

Сегодня я отвечу на два вопроса, которые поступили в мою личную почту. Я не буду подробно описывать постановку задач, но рассмотрю ключевые моменты, которые помогут вам затем самостоятельно сформулировать вашу конкретную задачу.

Первый вопрос относился к моделированию гидродинамики пара (влажного газа, парогазовой смеси и пр.) в ANSYS CFX. Рассмотрим эту задачу на примере моделирования течения  в проточной части паровой турбины. Геометрия расчетной области (сетка) показана на рисунке ниже. Моделируем сектор проточной части с условиями периодичности на соответствующих поверхностях.

rotor

Основной вопрос заключался в определении свойств рабочего тела (парогазовой смеси) в CFX. Что надо сделать? Для начала создайте два отдельных материала: условно «жидкость» (вода) и «газ» (водяной пар). Настройки закладки Material показаны на двух следующих рисунках. На первом — для жидкости, на втором — для газа, соответственно.

liquid

gas

Как вы можете заметить, я использовал систему уравнений IAPWS-IF97 (IAPWS — IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam) для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пар. Диапазоны температур и давлений, в которых можно использовать данные уравнения:

equБолее подробно об этом «стандарте» вы можете прочитать в этой статье

.

На этом рисунке я показал, как генерировать таблица на основе IAPWS-IF97 для «жидкости» (воды). Аналогично вы можете определить свойства водяного пара.

IAPWS

Теперь самый ключевой момент в этой задаче: определяем бинарную смесь в CFX, состоящую из газа-носителя (equilibrium constraint) и одного анализируемого компонента (equilibrium fraction).

binary

На этом всё. Для подтверждения достоверности указанного материала, привожу фрагменты результатов моделирования в нестационарной постановке роторной ступени в ANSYS CFX (версия 16.0).

results

Завтра мы вместе с вами более подробно рассмотрим второй вопрос, связанный с использованием Rigid Body Solver-a в ANSYS CFX. Запустим совместными усилиями в полет упрощенную геометрию снаряда (подкалиберного, бронебойного и т. п.).

С уважением, Денис Хитрых.

Как раскрутить «ротор» в ANSYS CFX

wind turbineНа днях один московский журналист решил порассуждать на предмет существования бога и высшей справедливости. Бог его не услышал, зато услышали другие и спустили Тузика. Не беремся оценивать поступки и действия той и другой стороны, но первому хотим напомнить, что в жизни бывают моменты, когда лучше промолчать и впомнить о милосердии и человечности, а вторым можем сказать, что очень легко почувстовать себя «богом», но отменить или запретить его существование просто невозможно.

Но вернемся к нашим «баранам». Сегодня мы снова поговорим о ветряных мельницах и численной неустойчивости.

Довольно часто в нашу службу технической поддержки поступают жалобы, связанные с «разваливанием» решения в ANSYS CFX при моделировании вращающихся или лопаточных машин. Как правило, это относится к нестационарным задачам, в которых «ротор» в начальный момент времени вращается с постоянной угловой скоростью.

Что можно предложить для решения данной проблемы? Например, начать раскручивать ротор с постоянным ускорением, но с переменной угловой скоростью. До тех пор, пока она не достигнет своего номинального значения.

Для этого необходимо написать несколько CEL-выражений. Ниже показан фрагмент CCL файла реального проекта, в котором была использована описанная технология.

LIBRARY:
   CEL:
     EXPRESSIONS:
       Accel = torq / MassInert
       MassInert = 40 [kg m^2]
       accelconst = 0.01 [rad s^-2]
       anglenew = angleold+omeganew*tStep
       angleold = atan2(x,y)
       omeganew = omegaold+accelconst*tStep
       omegaold = sqrt((Mesh Velocity X)^2 + (Mesh Velocity Y)^2)/max(radius, \
         1e-08[m])
       radius = sqrt(x^2+y^2)
       tStep = 0.1 [s]
       torq = torque()@WALL BLADES
     END
   END

Надеемся, что данная технология раскрутки ротора принесет вам пользу и в ваших проектах.

Удачного вам моделирования!