CFD 博客 | 使用 Fidelity CFD 优化 Ariane 涡轮泵设计方案_System_Fidelity

CFD 博客 | 使用 Fidelity CFD 优化 Ariane 涡轮泵设计方案

本文翻译转载于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

太空探索一直是一个由精准与创新驱动的前沿领域。在太空发射器的关键组件中，涡轮泵是其中之一，它确保了推进剂能无缝且高效地流向火箭发动机，从而产生挣脱地球引力所需的巨大推力。然而，设计涡轮泵面临着特殊的挑战。从减轻空化到应对危险的转速和压力上升，这些组件必须经过完美的工程设计，才能在极端的条件下运行。

当前，CFD 工具正在显著推动涡轮机械设计和验证流程的发展。本文章探讨了先进 CFD 技术（如 Fidelity CFD）的作用，Ariane 集团将其用于 Ariane 6 型太空发射器中的 Vinci 氢气涡轮泵，助力突破涡轮机械设计和性能的突破。

Ariane 计划与 Ariane 6 的多用途性

20 世纪 70 年代启动的 Ariane 计划，通过实现独立进入太空的能力，彻底改变了欧洲的太空探索格局。该计划由 Ariane 集团管理，在过去的五十多年里已成功发射了数千颗卫星并执行了众多任务。Ariane 6 旨在继承这一传统，通过提升效率和成本效益来延续优势，其具备任务灵活性、降低的生产成本以及先进的技术等特点，以此在全球市场中保持着竞争力。

Ariane 6 的一个突出亮点是 Vinci 发动机，这是一款创新低温发动机，由欧洲航天局项目下的欧洲合作伙伴协作研发。这款创新发动机以液氢和液氧为燃料，可在 130 千牛和 180 千牛两种推力状态下工作，并且具备可重复点火的能力，这使其适用于多次轨道插入的复杂任务。

此外，Vinci 氢气涡轮泵是尖端工程的典范，其转速约为 90,000 转/分钟，能实现最高 60bar 的压力上升，同时产生约 3,600 千瓦的功率。该涡轮泵的设计包括一个用于高效处理低压流体的诱导轮、两个用于推进剂压缩的离心级，以及一个用于发电的亚音速轴流式涡轮。该涡轮泵的研发采用了大量测试和先进的 CFD 模型，大幅减少了昂贵物理测试的需求。

借助 Fidelity CFD 的 Ariane 涡轮泵设计演进

Ariane 集团与 NUMECA（现属 Cadence）建立了长达数十年的合作关系，通过 CFD 优化涡轮机械设计的各个阶段。这一合作实现了具有成本效益的设计迭代，并确保模型满足火箭推进系统的严苛要求。

下面介绍了 Fidelity CFD 工具如何在三个不同阶段改变 Vinci 涡轮泵的研发：

阶段 1：

Vinci 涡轮泵研发

借助 Fidelity CFD 工具对 Vinci TPH 液压组件的稳态性能进行评估，省去了初步水工质或模化试验的环节。不过在 2000 年，评估净正吸入压力（NPSP，用于检验在低入口压力下的运行能力）的尝试并不成功。于是，团队开展了水动力测试来分析 NPSP 和空化动力学。Vinci TPH 诱导轮的流场最初是通过 Fine Turbo 求解器（即如今的 Fidelity Flow 涡轮机械模板）进行评估的。

阶段 2：

空化建模

在接下来的几年里，Fidelity CFD 工具新增了一些功能，用于优化对净正吸入压力（NPSP）和空化动力学的评估。这些新功能能够分析稳态和非稳态性能，还能考虑热效应，这在 Vinci 涡轮泵研发的早期阶段是无法实现的。在第二阶段，Fidelity CFD 被用于评估水中的净正吸入压力（NPSP）。

后续的涡轮泵研发，例如 2007 年至 2010 年的 TPX（新一代 Vulicain 涡轮泵）以及 2022 年的普罗米修斯（以液氧/甲烷为燃料），都受益于这些技术进步，不再需要进行诱导轮水试。这些研究成果减少了物理空化测试的必要性，同时提高了设计精度。凭借 Fidelity CFD 工具的这些先进功能，它被广泛应用于各种流型分析，包括空化流以及涡轮中的超声速/亚声速流，能有效捕捉非稳态流动行为。

阶段 3：

设计演进

尽管在 21 世纪初 Vinci 的研发早期，部分设计就已通过了验证，但某些组件仍需重新设计——要么是为了提升性能，要么是因制造工艺取得了进步。

Fidelity CFD 工具助力组件的早期验证和重新设计，既避免了高昂的失误成本，又加快了研发的进度。例如，它能基于非稳态载荷，将设计改进顺畅地整合到 Vinci 发动机中，无需进行大量预认证工作，最终使得 Vinci 涡轮泵在飞行模型 1 阶段的表现达到了预期。

CFD 在涡轮机械中的优势

CFD 为涡轮机械设计，尤其是太空探索领域的涡轮机械设计，带来了无可比拟的优势：

降低成本：替代或减少物理测试，减少研发迭代次数。
提高可靠性：CFD 确保了“一次就对”的性能表现，降低测试或任务期间的故障风险。
加快鉴定流程：数值模拟或物理测试相辅相成，加快组件和系统的鉴定阶段进程。

为可持续太空探索铺路

Cadence 与 Ariane 集团等航天领军企业的合作，展现了可持续性太空探索的潜力。CFD 建模提高了推进系统的效率，减少了对冗长测试的依赖。并且，它加速了下一代设计（如普罗米修斯涡轮泵）的研发进程。

太空任务的要求必然会变得更加复杂。Ariane 集团融合计算精度与物理测试的混合工程文化，为可持续且高效的创新提供了蓝图。

结语

Ariane 6 型太空发射器由 Vinci 发动机提供动力，并通过先进的 CFD 技术进行优化，它代表了航天领域工程协作、创新和可持续性发展的巅峰。其设计不仅具备任务的灵活性，还让我们有信心直面太空探索的挑战。

对于航天工程师、CFD 分析师和太空爱好者而言，Ariane 集团与 Cadence 的合作，彰显了技术与专业知识如何结合，从而塑造人类在星际间的未来。

来源：Cadence楷登

汽车尾流区域体网格细化方法

简介在整车外流场仿真中，尤其需要关注尾流区域的物理效应。尾流处的边界层分离会形成高速度梯度的涡旋，涡流通过湍流破碎为更小尺度的涡并最终粘性耗散，因此沿流向会形成逆压力梯度，尽管涡流会卷吸周围流体补充耗散，但耗散率远大于补给，造成尾流区域持续的负压区。为准确解析此区域复杂的流动特性，必须使用更密的网格单元，从而为后续的气动优化提供可靠流场基础。然而，如果对尾流之外的区域使用过于密集的网格也会大大增加计算成本，因此有效定义需要加密的区域非常重要。本文将介绍一种汽车尾流区域体网格细化的方法。当用户已经获得初步的计算结果时，可以在 META 中将尾流负压区以等值面的形式导出。然后将其导入 ANSA 中，基于此等值面设置网格细化区域。在 META 中导出尾流区域的等值面首先，在 META 中导入总压结果，如下图所示。图1 Smart 小车外流场总压结果在 Insert 菜单栏下，选择 ISOFUNCTION>Value（S）>Closed Lower，以创建一个封闭的等值面。图2 META 中的等值面创建工具在弹出的选项窗口中的 Value 栏键入 0，META 将基于计算域中和环境压力平衡的结果位置创建等值面。此封闭的等值面内包含完整的负压区域，即我们所关心的尾流区域。图 3 新建等值面窗口点击 OK 确认后，创建的尾流区域等值面如下图所示。图4 尾流区域的等值面等值面创建完毕后，我们可以导出此区域。在 META GUI 界面左侧的 Database 中双击 Iso Functions，将调出包含所有等值面的列表，在此列表中右键点击刚刚创建的等值面并在选项栏中选择 Export Geometry。图5 通过 Database 导出等值面在弹出的文件保存窗口中，设置相应的文件名及保存路径，并选择 .stl 为导出文件格式。点击 Save，等值面的几何文件就会被导出。图6 将等值面导出为.stl 格式在 ANSA 中使用 Size Field 进行网格细化在 ANSA 中合并 Smart 小车的几何文件及刚刚导出的尾流区域等值面的文件，合并后的效果如图所示。图7 合并 Smart 小车及尾流区域等值面的几何文件为了控制尾流区域的网格尺寸，即实现该区域内网格加密，我们需要使用 Volume Mesh 菜单栏下的 CONTROL>Size Field 功能。图8 Size Field 功能在弹出的选项窗口中，点击 New Rule 并选择 Closed Surface，将新建一条基于封闭曲面的规则。图9 Size Field 选项窗口在新创建的规则中双击 Contents 栏，使用过滤器或通过手动选择的方式将尾流区域的等值面载入此规则中，如下图所示。点击 OK 进行确认。图10 将尾流区域的等值面载入 Size Field 的规则中接下来，双击 Parameters 栏，在弹出的选项窗口中设置最大面网格尺寸和最大体网格尺寸，此处均以 30 毫米为例。点击 OK 进行确认。图11 设置尾流区域的网格尺寸设置完网格尺寸，点击 Build，此条网格细化规则将会得到应用。图12 应用 Size Field 的网格细化规则同时，ANSA 会自动打开可视化功能，方便用户预览此区域的网格尺寸以便进行进一步修改，如图 13。在弹出的可视化窗口中（图 14），用户也可以通过滑动条调整 3 个方向上的截面位置。检查完成后即可关闭可视化选项。图13 Size Field 的可视化选项图14 可视化窗口接下来，为小车及计算域绘制面网格。打开 Batch Mesh 工具，新建面网格划分方案及相应会话，将属于计算域和车身表面的 PID 分别载入到对应的会话中，如图 15 所示。图15 面网格划分方案对于“Domain”设置 30-300 毫米的目标尺寸，对“Vehicle”则设置 5-30 毫米的目标尺寸。然后运行此面网格划分方案。面网格划分完成后的效果如下（为方便查看，等值面已被隐藏），从图 16 中可以看到远离尾流区域的计算域的面网格尺寸约为 300 毫米，而被等值面包围的尾流区域的面网格尺寸则为 30 毫米，符合前面所设置的 Size Field 的网格细化规则。图16 尾流区域及其他区域的面网格尺寸对比接下来，继续对小车及计算域绘制边界层及体网格。使用 Batch Mesh 功能进行边界层网格和体网格的划分，如图17 & 图18 所示。图17 边界层网格划分方案图18 体网格划分方案体网格划分完成后，沿 Y 轴方向隐藏部分单元来检查体网格，从图 19 中可以看到尾流区域的网格尺寸同样满足 Size Field 规则设置的尺寸，而不属于此区域的网格则遵从全局网格尺寸（300 毫米）。图19 尾流区域及其他区域的体网格尺寸对比总结本文以 Smart 小车的外流场仿真为例，详细介绍了如何细化汽车尾流区域的体网格。关于利用 Size Field 功能进行 CFD 网格细化的更多介绍，可以参考另一篇文章——ANSA 中 CFD 网格细化策略之Size Field。END作者 | 李梓月 BETA CAE 工程师来源：Cadence楷登